高中物理中電磁學(xué)的實踐研究

孫少卿

（山東省臨沂第一中學(xué) 山東臨沂 276000）

高中物理中電磁學(xué)的實踐研究

孫少卿

（山東省臨沂第一中學(xué) 山東臨沂 276000）

電磁學(xué)已成為物理學(xué)的一個重要分支，是研究電磁運動基本規(guī)律的學(xué)科。電磁學(xué)理論的發(fā)展不僅是電工學(xué)、無線電電子學(xué)、電子計算機技術(shù)及其他新科學(xué)、新技術(shù)發(fā)展的理論依據(jù)，而且也與人們的日常生活和生產(chǎn)技術(shù)有著十分密切的關(guān)系。

電磁感應(yīng) 電磁爐 電磁炮

電磁學(xué)從原來互相獨立的兩門學(xué)科——電學(xué)、磁學(xué)，發(fā)展成為物理學(xué)中一個完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個重要的實驗發(fā)現(xiàn)，即1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁效應(yīng)和1831年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這兩個實驗現(xiàn)象，以及1865年英國物理學(xué)家麥克斯韋提出的感應(yīng)電場和位移電流的的假說，奠定了電磁學(xué)的整個理論體系。[1]

如今，電磁學(xué)已成為物理學(xué)的一個重要分支，是研究電磁運動基本規(guī)律的學(xué)科。電磁學(xué)理論的發(fā)展不僅是電工學(xué)、無線電電子學(xué)、電子計算機技術(shù)及其他新科學(xué)、新技術(shù)發(fā)展的理論依據(jù)，而且也與人們的日常生活和生產(chǎn)技術(shù)有著十分密切的關(guān)系，下面舉例說明電磁學(xué)在生活中應(yīng)用。

先來談?wù)勲姶艩t。隨著生活水平的提升，人們對安全衛(wèi)生的炊事用具逐漸接受，電磁爐也進入千家萬戶。[2]

電磁爐是現(xiàn)代廚房革命的產(chǎn)物，它無需明火或傳導(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。電磁爐的功率一般在700～1800W之間，它的結(jié)構(gòu)主要由外殼、高級耐熱晶化陶瓷板、PAN 電磁線盤、加熱電路板、控制電路板、顯示電路板、風扇組件及電源等組成。[3]

電磁爐是利用電磁感應(yīng)加熱原理制成的電氣烹飪器具。使用時，加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產(chǎn)生交變磁場，交變磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產(chǎn)生大量渦流，從而產(chǎn)生烹飪所需的熱。

在電磁爐內(nèi)部，由整流電路將50Hz的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為15～40kHz 的高頻電壓，高速變化的電流流過扁平空心螺旋狀的感應(yīng)加熱線圈（勵磁線圈），線圈會產(chǎn)生高頻交變磁場。其磁感線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于不銹鋼鍋（導(dǎo)磁又導(dǎo)電材料）底部，在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應(yīng)就有強大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動時完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，鍋底迅速釋放出大量的熱量，就是烹調(diào)的熱源。

那么渦流又是如何產(chǎn)生的呢？在柱形鐵芯上繞有線圈，當線圈中通上交變電流時，每個鐵芯片就處在交變的磁場中。鐵芯可看成是由一系列半徑逐漸變化的柱狀薄殼組成，每層薄殼構(gòu)成一個閉合回路。在交變的磁場中，通過這些薄殼的磁通量都在不斷地變化，所以沿著一層層的殼壁產(chǎn)生感應(yīng)電流。從鐵芯的上端俯視，電流的流線呈閉合的旋渦狀，因而這種感應(yīng)電流叫做渦電流，簡稱渦流。由于大塊鐵芯的電阻很小，因此渦流可非常大。強大的渦流在鐵芯內(nèi)流動時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而釋放出大量的焦耳熱，而使鐵芯的溫度升高。

電磁爐工作過程中熱量由鍋底直接感應(yīng)磁場產(chǎn)生渦流來產(chǎn)生的，因此應(yīng)該選擇對磁敏感的鐵來作為炊具，由于鐵對磁場的吸收充分、屏蔽效果也非常好，這樣減少了很多的磁輻射，所以鐵鍋比其他任何材質(zhì)的炊具也都更加安全。此外，鐵是對人體健康有益的物質(zhì)，也是人體長期需要攝取的必要元素。

電磁爐具有升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優(yōu)點，能完成家庭的絕大多數(shù)烹飪?nèi)蝿?wù)。因此，在電磁爐較普及的一些國家里，人們譽之為“烹飪之神”和“綠色爐具”。

再來說說電磁炮。電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進的動能殺傷武器。自80年代初期以來，電磁炮在未來武器的發(fā)展計劃中，已成為越來越重要的部分。

傳統(tǒng)火炮提高炮彈初速只能通過增加發(fā)射藥量來實現(xiàn)，但火炮藥室尺寸的增大及炮管長度的加長均受限制，所以傳統(tǒng)火炮最大初速難以超越物理限度，而電磁炮則完全擺脫了這一瓶頸。與傳統(tǒng)的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，可大大提高彈丸的速度和射程。[4]

電磁炮主要由能源、加速器、開關(guān)三部分組成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的裝置。目前實驗用的能源有蓄電池組、磁通壓縮裝置、單極發(fā)電機，其中單極發(fā)電機是近期內(nèi)最有前途的能源。加速器是把電磁能量轉(zhuǎn)換成炮彈動能，使炮彈達到高速的裝置。主要有：使用低壓直流單極發(fā)電機供電的軌道炮加速器和離散或連續(xù)線圈結(jié)構(gòu)的同軸同步加速器兩大類。開關(guān)是接通能源和加速器的裝置，能在幾毫秒之內(nèi)把兆安級電流引進加速器中。

電磁炮的原理非常簡單。磁場對電流的作用力，可以使通電導(dǎo)體運動，把電能轉(zhuǎn)化成機械能。利用這一原理，科學(xué)家提出用磁場對電流的作用力發(fā)射炮彈?？梢哉f，電磁炮是一種比較特殊的電動機，因為它的轉(zhuǎn)子不是旋轉(zhuǎn)的，而是作直線加速運動的炮彈。那么如何產(chǎn)生驅(qū)動炮彈的磁場，并讓電流經(jīng)過炮彈，使它獲得前進的動力呢？一個最簡單的電磁炮設(shè)計如下：用兩根導(dǎo)體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會加速向前飛出。

軌道炮：軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去。它由兩條平行的長直導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸。當兩軌接入電源時，強大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時，在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理。

[1]芶秉聰、胡海云主編.大學(xué)物理（下冊）[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[2]韓廣興.電磁爐原理使用與維修技術(shù)[M].北京：教育音響出版社，2007.

[3]孫運升.電磁爐維修基本技能[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

[4]黃瑩,趙佳.電磁炮的基本原理及在軍事上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代物理知識,2004,11.

孫少卿（1999.10）男，山東省臨沂第一中學(xué)學(xué)生