從渦旋電流談電磁爐鍋具的選擇

趙鑫欣 譚興文

摘 要：電磁爐只能使用配備鍋具，鋁、銅、陶瓷等弱磁性或非磁性材料制成的鍋具則不能正常使用，其原因是弱磁性、非磁性材料的磁導(dǎo)率較小，不利于渦流的產(chǎn)生，以致于難以在電磁爐上有效使用。

關(guān)鍵詞：電磁爐；磁導(dǎo)率；電導(dǎo)率；渦流

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）8-0058-3

《渦流》一節(jié)出自人教版高中物理選修3-2第四章的第七節(jié)。在學(xué)習(xí)《渦流》這節(jié)內(nèi)容時(shí)，很多老師會(huì)舉電磁爐的例子，電磁爐是渦流的典型應(yīng)用，且對(duì)于學(xué)生理解渦流的原理及應(yīng)用有重要價(jià)值。從理論上來講，當(dāng)線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，線圈附近的任何導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生渦流，然而對(duì)于電磁爐來講，并不是任何金屬的鍋具都能完成加熱食物的目的，如鋁鍋便不能在電磁爐上正常使用。本文將以鋁和鐵兩種金屬材料為例，通過定量計(jì)算的形式來對(duì)電磁爐鍋具材料選用的原因進(jìn)行探討。

電磁爐的主要結(jié)構(gòu)包括：功率板、主機(jī)板、線圈盤1架、風(fēng)扇馬達(dá)等。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

其工作原理是：通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變電場(chǎng)，由交變電場(chǎng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬鍋具底部放置爐面時(shí)，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部的金屬部分產(chǎn)生交變的電流，即渦流。渦流使鐵原子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，原子相互碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能使炊具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的。[1]

如圖2所示，在柱形鐵芯上繞有線圈，當(dāng)線圈中通上交變電流時(shí)，柱狀鐵芯片就處在交變的磁場(chǎng)中，通過鐵芯的磁通量在不斷變化，所以產(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(jiǎn)稱渦流。由于大塊鐵芯的電阻很小，因此渦流可以非常大。強(qiáng)大的渦流在鐵芯內(nèi)流動(dòng)時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而釋放出大量的焦耳熱，使鐵芯的溫度升高。渦流通過金屬將電能轉(zhuǎn)換成熱能的現(xiàn)象叫做渦流的熱效應(yīng)。

電磁爐的加熱原理圖如圖3所示。

從原理上來看，凡是金屬鍋具便都能在電磁爐上正常使用。然而，事實(shí)并非如此。電磁爐一般都有配備的鍋具，大多數(shù)是鐵鍋或者是不銹鋼等鐵磁性材料，而其他非磁性材料或弱磁性材料制成的鍋具（如鋁鍋），放到電磁爐上的時(shí)候，電磁爐是不能正常使用的。其具體原因探討如下。

影響渦流大小的原因有：磁場(chǎng)的變化方式、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等因素。首先可以明確的是，同一個(gè)電磁爐的同一個(gè)檔位下，電磁爐中交變電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)都是基本相同的，與此同時(shí)，鍋的形狀也是大同小異，所以對(duì)渦流的大小產(chǎn)生的影響微乎其微。那么，電磁爐上影響鍋具使用的原因便集中于材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率了。

綜上所述，磁導(dǎo)率才是影響渦流大小的主要原因，鋁、銅、陶瓷等弱磁性材料或非磁性材料由于相對(duì)磁導(dǎo)率較小，不能將交變電場(chǎng)放大，以至于產(chǎn)生的渦流較小，產(chǎn)生的熱量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬鐵等鐵磁性材料所產(chǎn)生的熱量，所以并非理想的電磁爐用具的選擇。

渦流的研究十分復(fù)雜，至今仍未有確定的公式來表示在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度B下產(chǎn)生的渦流的大小，由于所研究問題的重點(diǎn)在于不同材料的磁導(dǎo)率下所產(chǎn)生的渦流的大小之間的比較，所以，可以定量比較某一微小時(shí)段內(nèi)單位面積下的感應(yīng)電場(chǎng)相應(yīng)產(chǎn)生渦流的大小，將其近似看作穩(wěn)恒電流，從而方便比較。理論上，無論是鐵磁性材料還是弱磁性材料都能在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流，但由于如金屬鋁、銅等這樣的弱磁性材料的磁導(dǎo)率較小，在現(xiàn)實(shí)生活中難以使用，而非磁性材料更是無法使用。理論與實(shí)際總會(huì)有偏差，所以將理論的產(chǎn)品投放到現(xiàn)實(shí)中前，需要實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

《渦流》這節(jié)內(nèi)容在“楞次定律”等重要的知識(shí)點(diǎn)之后學(xué)習(xí)，作為一個(gè)電磁感應(yīng)方面相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用與提高，因此在平時(shí)的教學(xué)中往往不被教師重視。筆者認(rèn)為，本節(jié)知識(shí)的原理雖然不難，但是可以很好地成為學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)與身邊生活相聯(lián)系的載體，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。生活中的諸多現(xiàn)象其原理歸根究底是物理問題，通過有效的分析可以明確其中的關(guān)系，留意生活中的現(xiàn)象，用物理中的知識(shí)解釋出來，知道其中的原理，可以利用到其他地方，從而實(shí)現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向生活”的理念。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉勇利.一般的電磁爐怎樣拆裝[J].家電檢修技術(shù)，2011（19）：45.

[3]于亞婷.與被測(cè)材料無關(guān)的電渦流傳感器基礎(chǔ)理論與實(shí)現(xiàn)方法的研究[D].成都：電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

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[5]楊亮. 小議“利用渦流現(xiàn)象冶金的優(yōu)點(diǎn)”[J].物理教學(xué)探討，2010，28（9）：61.