一圈細(xì)導(dǎo)線點(diǎn)亮小燈泡

熊小蘭 黃春如

(樟樹(shù)市第三中學(xué) 江西 樟樹(shù) 331200)

1 電磁爐工作原理

電磁爐又名電磁灶，它無(wú)需明火或傳導(dǎo)式加熱而讓熱直接在鍋底產(chǎn)生，因此熱效率得到了極大的提高，是一種安全、衛(wèi)生、高效的節(jié)能櫥具，家用普及程度很高.

電磁爐是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱的廚房電器.在電磁灶內(nèi)部，由整流電路將50～60 Hz的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過(guò)控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為15～50 kHz的高頻電壓.高速變化的電流流過(guò)電磁爐線圈時(shí)會(huì)在其爐面空間產(chǎn)生高速變化的磁場(chǎng).圖1所示為電磁爐激發(fā)磁場(chǎng)的線圈盤(pán)，線圈盤(pán)呈密繞同心圓狀.

圖1

由于電磁爐面空間存在高速變化的磁場(chǎng)，因此，在電磁爐工作的臺(tái)面上用一圈不大的普通導(dǎo)線就能點(diǎn)亮小燈泡.反過(guò)來(lái)，可根據(jù)燈泡明暗程度檢測(cè)穿過(guò)燈泡線圈平面磁通量的有無(wú)及磁通量變化率的大小，驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及成因

(1) 用長(zhǎng)約30 cm的細(xì)導(dǎo)線，兩端與“1.5 V，0.3 A”的小燈泡相連接.將烹飪鍋放置在電磁爐面上一半位置處(由于電磁爐設(shè)有自動(dòng)檢測(cè)控制裝制，若不放器具電磁爐將自動(dòng)關(guān)機(jī))，另一半位置留做實(shí)驗(yàn)空間.將細(xì)導(dǎo)線并攏,置于電磁爐實(shí)驗(yàn)空間面上，給電磁爐通電.將導(dǎo)線用竹筷從電磁爐旁邊逐步推至中心位置，觀察小燈泡發(fā)光情況.這一過(guò)程中小燈泡始終無(wú)亮光.

原因：由于燈泡回路的有效面積為零，磁通量的變化率為零，燈泡不發(fā)光.

(2) 將小燈泡回路拉到接近圓形，重新置于電磁爐實(shí)驗(yàn)空間面上，給電磁爐通電.并用竹筷將圓形導(dǎo)線從旁邊逐步推至中心位置，觀察小燈泡發(fā)光情況，此時(shí)小燈泡由暗紅變?yōu)闊o(wú)光再成暗紅而后逐漸變亮.

圖2

原因：圖2所示為電磁爐線圈盤(pán)在爐面上激發(fā)的磁感線示意圖.在左半部分，由于放有強(qiáng)磁性材料制成的烹飪鍋(如鐵制鍋具)，其導(dǎo)磁能力強(qiáng)，線圈盤(pán)激發(fā)的磁場(chǎng)幾乎沿著鍋體底部形成閉合回路，磁場(chǎng)回路的磁阻非常小，鍋底形成的渦流大，因而產(chǎn)生大量的焦耳熱.這就是電磁爐的工作原理.在右半部分，由于空置(導(dǎo)磁能力弱磁性的陶瓷、銅、鋁等與之相近)，磁場(chǎng)直接穿過(guò)臺(tái)面形成閉合回路，此時(shí)磁場(chǎng)的磁阻很大，若有銅、鋁等鍋具放置，雖能在其底部形成渦流，但熱效率低.這就是實(shí)際當(dāng)中不使用非鐵磁性材料制做電磁爐炊具的原因.

當(dāng)燈泡回路從電磁爐臺(tái)面邊緣推至中心的過(guò)程中，由圖2右半部分可看出：起初回路中有弱的磁通量通過(guò)，因而燈泡暗紅.而后燈泡回路中的合磁通量逐漸減弱，再轉(zhuǎn)為逐漸加強(qiáng)，接近中心位置最強(qiáng).因而燈泡從無(wú)光轉(zhuǎn)為暗紅再至最亮.

(3)將燈泡線圈拉成矩形，使矩形平面與電磁爐臺(tái)面垂直，矩形的一豎直短邊與臺(tái)面中心位置重合，另一長(zhǎng)邊與線圈盤(pán)半徑方向重合.給電磁爐通電.此時(shí)燈泡無(wú)亮光；以矩形豎直邊為軸，使小燈泡線圈平面旋轉(zhuǎn)，小燈泡始終無(wú)亮光.

原因：由圖1、圖2可知，當(dāng)燈泡線圈平面始終與線圈盤(pán)平面垂直且繞中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，穿過(guò)燈泡線圈平面的磁通量始終為零，因而燈泡始終不發(fā)光.

3 其他

(1) 用礦泉水瓶蓋在其上繞幾圈導(dǎo)線與發(fā)光二極管相連也可進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn).

(2) 為探究渦流與炊具材質(zhì)的關(guān)系，還可利用兩個(gè)礦泉水瓶蓋分別裝同樣多水，用1角人民幣中的鋁幣和鋼幣分別放于兩瓶蓋中，兩瓶蓋對(duì)稱(chēng)地放于電磁爐盤(pán)面上，然后給電磁爐通電，觀察結(jié)果，探究原因.