Máy biến áp và truyền tải điện năng

Máy biến áp gồm lõi sắt (nhiều lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện) và hai cuộn dây quấn quanh lõi: cuộn sơ cấp $N_1$ vòng nối với nguồn xoay chiều, cuộn thứ cấp $N_2$ vòng nối với tải.

Nguyên tắc (cảm ứng điện từ): dòng xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo từ thông biến thiên trong lõi sắt; lõi dẫn gần như toàn bộ từ thông đó qua cuộn thứ cấp, nên ở cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng xoay chiều cùng tần số. Vì nguyên tắc dựa trên từ thông biến thiên, máy biến áp không hoạt động với dòng điện không đổi: nối cuộn sơ cấp với pin, từ thông không đổi, thứ cấp không có điện áp (chỉ có xung ngắn lúc đóng, ngắt).

Máy biến áp lí tưởng: không hao phí từ thông (mọi từ thông qua sơ cấp đều qua thứ cấp) và không toả nhiệt trong cuộn dây. Khi đó mỗi vòng dây có cùng suất điện động $\left\lvert\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right\rvert$ nên

• $N_2>N_1$ ($k>1$): máy tăng áp, điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp, nhưng dòng thứ cấp nhỏ hơn dòng sơ cấp.
• $N_2<N_1$ ($k<1$): máy hạ áp, điện áp thứ cấp nhỏ hơn, dòng thứ cấp lớn hơn.
• Máy biến áp không đổi tần số và không tạo thêm công suất: đổi điện áp thì phải đổi ngược lại dòng điện.
• Máy thực tế có hao phí (điện trở cuộn dây, dòng Foucault, rò từ thông); hiệu suất $H=\dfrac{U_2I_2}{U_1I_1}$ thường $90\%$ đến hơn $98\%$.

Nhà máy phát điện truyền công suất $P$ tới nơi tiêu thụ qua đường dây có điện trở $R$. Với điện áp $U$ (hiệu dụng) ở đầu đường dây, dòng điện hiệu dụng là $I=\dfrac{P}{U}$ (coi hệ số công suất bằng $1$). Dây toả nhiệt, đó là hao phí:

Hao phí tỉ lệ nghịch với bình phương điện áp: tăng $U$ lên $10$ lần thì $\Delta P$ giảm $100$ lần. Có ba cách giảm hao phí: giảm $R$ (dây to hơn, dùng đồng tốt hơn: tốn kém), tăng $U$ (rẻ nhất), hoặc giảm $P$. Vì thế người ta dùng máy tăng áp ở đầu đường dây (nhà máy) và máy hạ áp ở cuối (trạm khu vực, rồi trạm phân phối) để an toàn cho người dùng. Dòng điện xoay chiều có lợi thế lớn ở đây vì biến đổi điện áp bằng máy biến áp rất dễ.

• Máy biến áp: lõi sắt + cuộn sơ cấp $N_1$ + cuộn thứ cấp $N_2$; hoạt động nhờ từ thông biến thiên, chỉ với dòng xoay chiều.
• Lí tưởng: $\dfrac{U_2}{U_1}=\dfrac{N_2}{N_1}=\dfrac{I_1}{I_2}$; $U_1I_1=U_2I_2$. Tăng áp thì giảm dòng.
• Truyền tải: $I=\dfrac PU$, $\Delta P=RI^2=\dfrac{RP^2}{U^2}$; tăng $U$ để giảm hao phí.
• Dùng máy tăng áp ở nhà máy, máy hạ áp ở nơi tiêu thụ.