電與磁的生熱“魔法”

電與磁似一對形影不離的好兄弟，它們相伴相隨，互相影響。在它們的作用下，許多物理現(xiàn)象就此誕生。讓我們一起來看看，電與磁是如何交織生熱的吧！

或許你還記得，在2024年1月的《知識就是力量》雜志中，我們做過一個有關電磁感應現(xiàn)象的物理實驗：一個閉合線框與電流表串聯(lián)，當閉合線框切割蹄形磁鐵的磁感線時，電流表有示數(shù)，說明產(chǎn)生了感應電流。這是因為，在切割磁感線的過程中，穿過閉合電路（線框）的磁通量發(fā)生了變化。

同樣的道理，當閉合電路換成了金屬導體塊，金屬導體塊切割磁感線時，由于穿過金屬導體塊的磁通量發(fā)生了變化，其內(nèi)部也會產(chǎn)生感應電流。這種感應電流較為特別，會在金屬導體塊內(nèi)形成環(huán)路形狀，就像水的旋渦，因此稱為渦電流。

變化的磁場產(chǎn)生渦電流示意圖（繪圖/張玲）

電生磁原理示意圖（供圖/張春怡）

由于金屬導體塊有內(nèi)阻，所以渦電流在金屬導體塊內(nèi)流動時會產(chǎn)生大量的焦耳熱（電流通過導體時產(chǎn)生的熱量）。利用渦電流的熱效應進行加熱的方式被稱為電磁感應加熱，電磁感應加熱中產(chǎn)生的熱量與渦電流的大小、金屬導體材料有關。

作為一種感應電流，要想形成渦電流，就需要讓穿過金屬導體塊的磁通量發(fā)生變化。在實驗中，我們可以通過導體切割磁鐵的磁感線，實現(xiàn)磁通量的改變。但是，如果我們不想讓導體進行切割運動，是否可以制造一個能夠發(fā)生變化的磁場，從而引起磁通量的改變，進而形成渦電流呢？答案是肯定的。

那么，這個可以變化的磁場是如何產(chǎn)生的呢？這就用到了物理學中“電生磁”的原理，即通電導線周圍有磁場，改變電流的方向和大小，磁場的方向和大小也會相應發(fā)生改變。因此，可以使用通有不同頻率交變電流的線圈來產(chǎn)生變化的磁場。

也就是說，變化磁場的形成是“電生磁”的過程，渦電流的形成是“磁生電”的過程，焦耳熱的產(chǎn)生則是“電生熱”的過程。

電磁爐就是利用上述的電磁感應加熱原理來烹飪食物的。由于電磁感應加熱是金屬導體自身發(fā)熱的過程，屬于非接觸式加熱，具備損耗低、功率高、污染少等優(yōu)點。

電磁爐通電后，其內(nèi)部的電子線路系統(tǒng)會將城市電網(wǎng)中獲取的普通交流電進行一系列變換，最終獲得高頻交流電，高頻交流電再通過線圈盤形成變化的磁場。

電磁爐的結構

為了實現(xiàn)電磁感應加熱，面板上必須放置金屬材質(zhì)的鍋具（相當于金屬導體塊），這樣，鍋具的鍋底就會在變化的磁場中產(chǎn)生渦電流而發(fā)熱，再通過傳導傳熱的方式加熱食物。

在電磁爐的使用過程中，鍋具發(fā)揮了金屬導體塊的作用，因此，電磁爐的加熱效率與制作鍋具的材料有關——鍋具的磁導率和電阻，影響著電磁爐的加熱效率。

電磁爐工作原理示意圖。電磁爐能將90%的電能通過鍋具產(chǎn)生的渦電流轉(zhuǎn)化為熱能（供圖/張春怡）

走進了千家萬戶的電磁爐，蘊含著如此豐富的科學道理。其實，還有許多物理現(xiàn)象就在你的身邊，等待著你用好奇心推開一扇扇科學之門，領略其中的風景。

（責任編輯 / 高琳? ?代竹蕊? 美術編輯 /周游）