Bài đường dây cao thế kết thúc bằng một món nợ: muốn tải điện đi xa phải nâng áp lên hàng trăm kilôvôn, nhưng ổ cắm nhà bạn lại cần 220 V hiền lành — ai đứng ra đổi tiền? Câu trả lời là cỗ máy tĩnh lặng nằm trong mọi trạm biến áp đầu ngõ, và nguyên lý của nó gói trong một phép đếm:

Nguồn 220 V xoay chiều vào cuộn sơ cấp; tải tiêu thụ 100 W. Điện áp ra chỉ phụ thuộc tỉ số vòng dây — và dòng điện chạy ngược tỉ số ấy, vì máy không được phép in thêm công suất.

Hai cuộn dây không chạm nhau mà vẫn nói chuyện

Cuộn sơ cấp và thứ cấp cách điện hoàn toàn với nhau — không một electron nào đi xuyên từ bên này sang bên kia. Cầu nối là từ thông trong lõi sắt: dòng xoay chiều bên sơ cấp tạo từ trường đổi chiều liên tục, lõi sắt dẫn trọn từ trường ấy qua cuộn thứ cấp, và cảm ứng Faraday làm nốt phần còn lại: từ thông biến thiên xuyên qua mỗi vòng dây sinh cùng một suất điện động.

Từ đó, toàn bộ “phép thuật” chỉ là đếm vòng — mỗi vòng hưởng một suất như nhau, nhiều vòng thì cộng dồn:

V₂/V₁ = N₂/N₁

Sạc điện thoại hạ 220 V xuống 5 V: tỉ số 44:1. Trạm đầu ngõ hạ 10 kV xuống 220 V: tỉ số 45,5:1. Máy tăng áp của nhà máy điện chỉ là chính nó lắp quay đầu — không có “máy tăng” và “máy hạ”, chỉ có bên nào nhiều vòng hơn.

Không được in thêm công suất

Máy biến áp không phải bữa trưa miễn phí: nâng áp 100 lần thì dòng tụt 100 lần, vì công suất ra không thể vượt công suất vào:

V₁I₁ = V₂I₂  →  I₂ = I₁·N₁/N₂

Chỉnh demo về phía tăng áp mà xem dòng thứ cấp teo lại — và chính cái teo ấy là mục đích: hao phí trên đường dây là I²R, dòng nhỏ đi trăm lần thì hao phí chia mười nghìn lần. Đổi áp lấy dòng là món hời nhất ngành điện từng ký. (Máy thật đạt hiệu suất 97–99% — vẫn phải trả vài phần trăm cho lõi sắt nóng lên, đó là tiếng ù trầm bạn nghe khi đứng cạnh trạm biến áp.)

Trường hợp biên: cắm điện một chiều vào là hỏng chuyện

Toàn bộ cơ chế đứng trên một chữ: biến thiên. Cắm nguồn DC vào cuộn sơ cấp, từ thông có đó nhưng đứng im — Faraday không nhúc nhích, thứ cấp câm lặng, còn sơ cấp mất luôn “sức cản cảm ứng” vốn ghìm dòng lại và trở thành cuộn dây điện trở gần bằng không: dòng vọt lên, máy bốc khói. Máy biến áp không những không chạy với DC — nó chết vì DC.

Đây chính là lá bài kết liễu trong “cuộc chiến dòng điện” thế kỷ 19: Edison giữ DC, Tesla và Westinghouse cầm AC. DC thời đó không có cách nào đổi áp hiệu quả, nghĩa là không nâng áp được, nghĩa là thua trắng bài toán I²R — nhà máy DC phải nằm cách khách hàng vài kilômét. AC mang theo máy biến áp, tải điện xuyên quốc gia, và ổ cắm của cả hành tinh từ đó ngân nga 50–60 lần mỗi giây. Cỗ máy không động cơ, không bánh răng, ra đời từ thập niên 1880 và gần như chưa cần đổi thiết kế — chỉ vì nó đứng đúng chỗ một định luật đứng.