關(guān)于《物理3-2》渦流學(xué)習(xí)的疑問

汪禮楊

摘要：“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，許多與生活、生產(chǎn)相關(guān)的科技問題紛紛進(jìn)入教材，在給中學(xué)物理帶來新的面貌的同時，也使廣大物理教師面臨新挑戰(zhàn)。電磁爐作為一種高效節(jié)能的灶具逐漸為人們所喜愛。它利用了電磁感應(yīng)渦流加熱原理。經(jīng)常有同學(xué)質(zhì)疑，為什么電磁爐只能用鐵鍋，而不能用鋁、銅等金屬呢？是不是鋁、銅不能形成渦流？

關(guān)鍵詞：電磁爐；渦流；磁導(dǎo)率；磁介質(zhì)

在新課程人教版《物理3—2》第四章電磁感應(yīng)章有渦流的內(nèi)容。在介紹渦流的應(yīng)用中很多老師就將電磁爐作為例子介紹。接觸過電磁爐的學(xué)生就可能提出，電磁爐的鍋具為什么不能是銅鍋或鋁鍋？這一問可能難倒一些老師，即使老師不介紹，學(xué)生不問，老師也很有可能在課后材料或?qū)W生練習(xí)中遇到。筆者和很多物理老師一樣，對此問題產(chǎn)生很大困惑。經(jīng)過了長時間思考，查閱了很多資料，也咨詢了一些專家，此問題才得以解決。

讓我們先來看看電磁爐的工作原理。

當(dāng)閉合回路中磁通量發(fā)生變化時，根據(jù)電磁感應(yīng)及愣次定律，導(dǎo)線中將產(chǎn)生電流。當(dāng)線圈中的電流隨時間變化時，由于電磁感應(yīng)，附近的另一個線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。實際上，這個線圈附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流。塊狀金屬置于隨時間變化的磁場中時，金屬內(nèi)的電子在感應(yīng)電場力的作用下會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這樣的電流看起來就像水中的旋渦，稱為渦電流簡稱渦流。當(dāng)線圈中通有變化的電流，線圈周圍就產(chǎn)生變化的磁場，金屬內(nèi)部等效為無數(shù)個閉合回路，變化的磁場在回路中產(chǎn)生渦流。

渦流像其它電流一樣，金屬塊中的渦流也要產(chǎn)生焦耳熱，即渦流的熱效應(yīng)。利用渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的方式稱為感應(yīng)加熱。電磁爐作為一種新型環(huán)保節(jié)能灶具，就是采用渦流熱效應(yīng)的原理來加熱的。如圖所示，繞圈中通入交變的電流，通過爐內(nèi)電子線路板組成部分便會產(chǎn)生交變的磁場。當(dāng)用鍋具底部放置爐面時，其磁通量發(fā)生變化，鍋具即切割交變磁感線而在鍋具底部產(chǎn)生渦流使鍋具發(fā)熱，用來烹飪食物。既然電磁爐的工作原理是利用渦流，銅鍋、鋁鍋是金屬的，那么在電磁爐上放上銅鍋、鋁鍋的話應(yīng)該也會產(chǎn)生渦流；但是實際實驗當(dāng)中我們并沒有發(fā)現(xiàn)到渦流產(chǎn)生的熱量。是我們的理論出現(xiàn)問題了嗎，還是我們的認(rèn)識不夠深入？是不是因為銅鍋、鋁鍋上產(chǎn)生的渦流特別小呢？但根據(jù)渦流的特點，金屬塊的電阻率越小，則導(dǎo)體中的渦流應(yīng)越大，產(chǎn)生的熱量越多。銅、鋁的電阻率都比鐵小，似乎銅鍋、鋁鍋在電磁爐上產(chǎn)生的渦流應(yīng)比鐵鍋的大，產(chǎn)生的熱量應(yīng)該更多。

事實上銅鍋、鋁鍋放在打開的電磁爐上基本上沒有產(chǎn)生渦流。這是因為渦流的大小除了與磁場的變化方式、金屬電阻率有關(guān)外，還有導(dǎo)體的磁導(dǎo)率起著關(guān)鍵作用。

在磁場的作用下能發(fā)生變化并能反過來影響磁場的介質(zhì)吸叫做磁介質(zhì)。磁介質(zhì)在磁場作用下的變化叫做磁化。事實上，任何介質(zhì)在磁場作用下都或多或少地發(fā)生變化并過來影響磁場，因此任何介質(zhì)都可以看作磁介質(zhì)。

實驗和理論研究表明，磁介質(zhì)按其磁特性分為三類：（1）順磁質(zhì)；（2）抗磁質(zhì)；（3）鐵磁質(zhì)。當(dāng)磁介質(zhì)進(jìn)入磁場，受磁場感應(yīng)，也會產(chǎn)生一個小磁場。如果小磁場和原磁場同方向，就會加強(qiáng)（加強(qiáng)較?。┰艌觯@種磁介質(zhì)就是順磁質(zhì)。有外磁場時，抗磁質(zhì)分子受磁場作用生成感應(yīng)磁矩，且磁矩方向和外磁場方向相反，于是就在磁介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生與外磁場方向相反的附加磁場，從而使總磁場減弱，這種磁介質(zhì)就是抗磁質(zhì)。某些物質(zhì)，在受到外磁場磁化時，顯出比順磁性強(qiáng)得多的磁性，而且在去掉磁場后還保留磁性，這種磁介質(zhì)就是鐵磁質(zhì)。

順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)的磁特性與鐵磁質(zhì)有很大不同，可合稱為非鐵磁質(zhì)。磁導(dǎo)率μ是描述磁介質(zhì)性質(zhì)的宏觀標(biāo)量。μ0為真空的磁導(dǎo)率，某種磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0的比值叫做磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（μr）。按照磁介質(zhì)的分類，鋁屬于順磁介質(zhì)，磁導(dǎo)率略大于1，銅屬于抗磁介質(zhì)，其相對磁導(dǎo)率略小于1，而鐵屬于鐵磁質(zhì)，磁導(dǎo)率大概在2000到100000之間?？勾刨|(zhì)、順磁質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鐵磁質(zhì)。

抗磁介質(zhì)在外界磁場B0的作用下引起感應(yīng)分子電流所形成的B'與B0反向，抗磁質(zhì)的電子磁矩矢量和近乎零。而順磁質(zhì)亦有此效應(yīng)，其影響相對較小，順磁質(zhì)的電子磁矩矢量也是很小。所以屬于抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)的銅、鋁鍋放在電磁爐上，在鍋上通過變化的磁感線甚弱。因此電磁爐不能使用銅鍋和鋁鍋。

鐵屬于鐵磁介質(zhì)，鐵磁介質(zhì)在外磁場B0的作用下引起感應(yīng)分子電流所形成的B'與B0同向，因此鐵介質(zhì)內(nèi)的磁場B=B0+B'，而B'遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B0，因此鐵鍋放在電磁爐上的合磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁爐線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，鐵鍋就可以得到很大的渦流，從而可以起到快速加熱的要求。

科學(xué)不等于技術(shù)，基本物理原理不等于原理在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。一項技術(shù)成果往往會涉及原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等多方面的問題。關(guān)于電磁爐，大家也有多種不同的解釋，對這類問題我們希望大家不要停留在想象、猜測上，也不要單憑網(wǎng)上檢索；應(yīng)當(dāng)具體地研究，包括對電器解剖、科學(xué)實驗和向?qū)＜易稍兊?，以便得到較全面正確的答案。

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