用電磁爐演示渦流等實(shí)驗(yàn)

張立新 汪宏蘭

(如皋高等師范學(xué)校 江蘇 南通 226500)

電磁爐是現(xiàn)代家庭普遍使用的加熱炊具，用電磁爐演示物理實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)生鞏固多方面的電磁學(xué)知識(shí)，如渦流的產(chǎn)生、LC諧振電路、磁性材料性質(zhì)等．本實(shí)驗(yàn)所用的電磁爐有三種狀態(tài)．工作態(tài)：指示燈LED正常發(fā)光，爐盤(pán)線圈持續(xù)振蕩，機(jī)內(nèi)散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；待機(jī)狀態(tài)：指示燈發(fā)出頻閃光，爐盤(pán)線圈間歇式振蕩，風(fēng)機(jī)仍然運(yùn)轉(zhuǎn)；關(guān)機(jī)態(tài)：指示燈熄滅，爐盤(pán)線圈切斷電源，且風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)．電磁爐能夠?qū)崿F(xiàn)三種狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換．

1 觀察電磁爐產(chǎn)生的渦流

渦流屬于一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象．通常所說(shuō)的電磁感應(yīng)發(fā)生在閉合回路的線圈中，而渦流發(fā)生在整體的金屬塊或金屬板中．當(dāng)穿過(guò)金屬塊或金屬板的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在其中便產(chǎn)生感生電流，這就是渦流．用銅導(dǎo)線將12 V的電珠焊接成單匝閉合電路，我們稱(chēng)之為“電珠導(dǎo)線環(huán)”．將它置于電磁爐的爐面上，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，可觀察到電珠發(fā)出頻閃光，此乃間歇渦流導(dǎo)致的頻閃光．學(xué)生提問(wèn)：“為什么電珠不發(fā)連續(xù)光？”原來(lái)因爐面未放置鐵磁質(zhì)鍋具，電磁爐處于待機(jī)狀態(tài)．機(jī)內(nèi)CPU定時(shí)發(fā)出檢鍋信號(hào)，大功率開(kāi)關(guān)管處于間歇導(dǎo)通狀態(tài)，爐盤(pán)線圈也處于間歇振蕩態(tài)，因此電珠只能發(fā)頻閃光．頻閃可持續(xù)1 min，此間若不放置鍋具，電磁爐將自動(dòng)關(guān)機(jī)．

現(xiàn)將盛水的鐵質(zhì)搪瓷茶缸置于爐面中央，誘導(dǎo)電磁爐投入工作，并將“電珠導(dǎo)線環(huán)”圈套在茶缸外圍，此時(shí)學(xué)生看到電珠發(fā)出耀眼的連續(xù)光，如圖1所示．這里，點(diǎn)亮電珠的電流就是渦流．爐盤(pán)線圈中流有高頻交流電，它產(chǎn)生高頻變化的磁場(chǎng)，這些變化的磁通量穿過(guò)鐵質(zhì)茶缸的底部以及套在茶缸外圍的“電珠導(dǎo)線環(huán)”，使導(dǎo)體中的自由電子運(yùn)動(dòng)而成為渦流．于是茶缸中的水被燒熱、“電珠導(dǎo)線環(huán)”發(fā)出耀眼的光芒．渦流的功率相當(dāng)大，可點(diǎn)亮220 V的照明燈．用普通塑料硬銅線繞一個(gè)10匝左右的線圈，線圈兩端焊上220 V/15 W的照明燈泡，將其置于爐面中央，燈泡居然發(fā)出頻閃光．電磁爐就是利用鍋底的強(qiáng)大渦流產(chǎn)生的大熱量來(lái)給食物加熱的．特別指出，導(dǎo)致渦流的非靜電力不是洛倫茲力而是渦旋電場(chǎng)力．

圖1 電磁爐渦流點(diǎn)亮電珠

2 LC諧振電路與檢鍋原理

電磁爐整機(jī)工作原理如圖2所示．

圖2 電磁爐工作原理圖

220 V的交流電經(jīng)過(guò)橋式整流和濾波后，獲得比較平穩(wěn)的高壓直流電；從直流電源的正極(+)→通過(guò)濾波電路的電感→到LC諧振電路的爐盤(pán)線圈→到開(kāi)關(guān)管(IGBT)的集電極→經(jīng)開(kāi)關(guān)管內(nèi)部→到開(kāi)關(guān)管發(fā)射極→最后到直流電源的負(fù)極(-)，這樣一個(gè)直流回路構(gòu)成了電磁爐工作的強(qiáng)電主體回路(直流電壓穩(wěn)定在310 V)；電磁爐正常加熱時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管快速地做周期性的“開(kāi)”與“關(guān)”動(dòng)作，直流電在LC回路中變換成了高頻交流電，并在鍋底感應(yīng)出高頻渦流供食物加熱；電磁爐的智能效果由控制電路完成，傳感器將檢測(cè)到的信息送給CPU，CPU通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管柵極電平的變化使電磁爐實(shí)現(xiàn)工作、待機(jī)、關(guān)機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；功率大小的調(diào)節(jié)是用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管在每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間與周期時(shí)間之比來(lái)實(shí)現(xiàn)的(即占空比)；此外電磁爐還設(shè)置了過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫等自動(dòng)保護(hù)電路．

在電磁爐的使用與實(shí)驗(yàn)研究時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，電磁爐有鍋時(shí)正常工作；無(wú)鍋或者加熱時(shí)將鍋端開(kāi)，立即轉(zhuǎn)為待機(jī)．電磁爐依據(jù)什么原理來(lái)檢鍋呢？原來(lái)，電磁爐的爐盤(pán)線圈與內(nèi)部的電容器構(gòu)成了一個(gè)LC諧振電路，參見(jiàn)圖2．打開(kāi)電磁爐底蓋，可以指導(dǎo)學(xué)生觀察圓形扁平的爐盤(pán)線圈與諧振電容器．諧振頻率f由爐盤(pán)線圈的電感量L與電容器的容量C決定，即滿(mǎn)足公式

可見(jiàn)，在固定電容器的情況下，諧振頻率與電感系數(shù)平方根成反比．而LC回路的固有頻率在有鍋時(shí)與無(wú)鍋時(shí)完全不同，有鍋時(shí)爐盤(pán)線圈相當(dāng)于有鐵芯，電感系數(shù)L很大，此時(shí)LC的振蕩頻率約為30 kHz；無(wú)鍋時(shí)爐盤(pán)線圈轉(zhuǎn)為空心線圈，電感系數(shù)L明顯減小，振蕩頻率大大高于30 kHz．

電磁爐啟動(dòng)時(shí)，CPU通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送給開(kāi)關(guān)管柵極一個(gè)矩形脈沖信號(hào)，開(kāi)關(guān)管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，于是LC諧振電路獲得了一個(gè)矩形脈沖．由非周期函數(shù)的傅里葉積分可知，該脈沖的頻率范圍等價(jià)于連續(xù)頻譜，連續(xù)頻譜中必定有一個(gè)頻率恰好等于LC電路固有頻率(有鍋)，該頻率信號(hào)獲得諧振并達(dá)到一定的幅值，諧振電壓信號(hào)反饋到CPU，它檢測(cè)到單位時(shí)間發(fā)出的振蕩脈沖數(shù)與設(shè)定脈沖數(shù)相同即判定為有鍋，同時(shí)指令電源系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)反饋系統(tǒng)、振蕩和驅(qū)動(dòng)電路、大功率開(kāi)關(guān)管均投入正常工作．由于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率與爐盤(pán)線圈LC固有頻率同步相等，因此LC回路達(dá)到諧振狀態(tài)．如果CPU檢測(cè)到諧振頻率大大高于30 kHz，則判定爐面無(wú)鍋，隨即轉(zhuǎn)為待機(jī)．總之，電磁爐的檢鍋原理就是檢測(cè)LC電路在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的諧振脈沖個(gè)數(shù)是否滿(mǎn)足設(shè)定要求．

3 觀察順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)金屬容器加熱

鋁和銅分別屬于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，它們的導(dǎo)電性很好，但導(dǎo)磁性很差．當(dāng)使用鋁鍋和銅鍋加熱時(shí)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率與空氣基本相等(都約等于1)，此時(shí)爐盤(pán)線圈的電感量遠(yuǎn)小于放置鐵磁質(zhì)鍋具的電感量，其諧振頻率大大高于正常工作頻率30 kHz．由于CPU檢測(cè)不到預(yù)定頻率的振蕩脈沖數(shù)，所以單片機(jī)判定這類(lèi)鍋具不合要求，隨之轉(zhuǎn)換到待機(jī)狀態(tài)．實(shí)驗(yàn)可看到，對(duì)于鋁材料的鋼精鍋以及銅質(zhì)容器電磁爐拒絕加熱．

4 探究鐵磁質(zhì)金屬容器的加熱

實(shí)驗(yàn)中我們換用直徑稍小于爐面的鐵磁質(zhì)金屬容器，比如搪瓷茶缸、鐵盒子、不銹鐵的餐具、臉盆等，電磁爐同樣能啟動(dòng)加熱；若所用容器直徑過(guò)小，電磁爐即轉(zhuǎn)為待機(jī)．如果使容器底面與爐面的吻貼性稍稍變差，也不影響電磁爐的啟動(dòng)與工作，比如用硬幣將容器適當(dāng)墊高，電磁爐仍然工作．當(dāng)然容器墊得過(guò)高時(shí)電磁爐即刻轉(zhuǎn)為待機(jī)．實(shí)驗(yàn)表明，墊鍋底的硬幣會(huì)發(fā)熱，時(shí)間稍長(zhǎng)更會(huì)燙手，教師演示操作時(shí)要注意安全．日常使用電磁爐時(shí)應(yīng)該以原配鍋具為好，偶爾用其他鐵磁質(zhì)金屬容器，鍋底大小應(yīng)與爐面基本相同；鍋底與爐面接觸也應(yīng)該保持最佳吻貼．這樣既提高了加熱效率，又減少了電磁輻射污染．

5 檢測(cè)電磁爐對(duì)調(diào)幅收音機(jī)的影響

按動(dòng)電源按鈕，電磁爐進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)同時(shí)發(fā)出間歇脈沖，打開(kāi)中波段收音機(jī)來(lái)接收這個(gè)脈沖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示收音機(jī)最遠(yuǎn)約在3 m的距離能接收到該脈沖．因此為減少電磁爐對(duì)電器設(shè)備的影響，家用電器的放置應(yīng)該遠(yuǎn)離電磁爐．同樣可用收音機(jī)測(cè)試電磁爐正常加熱時(shí)噪波傳播的距離；還可以將發(fā)光二極管與導(dǎo)線焊接成閉合電路，用它在電磁爐周?chē)苿?dòng)探測(cè)電磁場(chǎng)輻射的距離．