電飯鍋溫度控制原理與探究性物理實(shí)驗(yàn)

陳士元

☆創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)☆

電飯鍋溫度控制原理與探究性物理實(shí)驗(yàn)

陳士元

一、金屬熱脹冷縮和磁性材料居里點(diǎn)的物理原理

初中學(xué)生學(xué)習(xí)了物理熱現(xiàn)象中金屬物質(zhì)熱脹冷縮的原理，金屬熱脹冷縮的微觀原理是在金屬固體中，金屬離子間力的作用比較大，絕大多數(shù)金屬離子被束縛在平衡位置附近做微小的振動(dòng)。溫度升高，金屬離子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，加劇到一定程度，離子間的作用力已經(jīng)不能把金屬離子束縛在固定的平衡位置附近。宏觀表現(xiàn)為金屬受熱溫度升高后體積膨脹。高中學(xué)生在磁場(chǎng)章節(jié)磁性材料中學(xué)習(xí)了磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)，任何物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下都能或多或少地被磁化，只是被磁化程度不同。像鐵那樣能夠被強(qiáng)烈磁化的物質(zhì)叫鐵磁性材料。磁化后的鐵磁性物質(zhì)，它們的磁性并不因外磁場(chǎng)消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。鐵磁性物質(zhì)按剩余磁性的情形分為兩種，一種如碳鋼、鎢鋼、鋁、鎳、鈷的合金等，它們的剩余磁性較強(qiáng)而且不易消失，能夠保留較強(qiáng)的磁性，這種材料叫做硬磁性(又稱永磁材料)，另一種如軟鐵、硅鋼、鎳鐵合金，它們的剩余磁性較弱而且容易消失，這種材料叫做軟磁性材料。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)溫度高達(dá)一定程度時(shí)，硬磁性材料將消失而成為軟磁性材料，這一溫度叫居里點(diǎn)。電飯鍋中使用的是居里點(diǎn)為105℃左右的稀土磁性材料。金屬熱脹冷縮、磁性材料居里點(diǎn)這兩個(gè)物理原理在電飯鍋溫度控制中得到了很好的應(yīng)用。

二、電飯鍋溫度控制的過(guò)程解釋

在日常生活中，我們用電飯鍋煮飯是一件很平常的事情，我們通過(guò)電飯鍋的紅黃兩個(gè)指示燈來(lái)判斷它是否工作。其實(shí)它們的工作過(guò)程是這樣的：

(1)插上導(dǎo)線插頭通電→紅指示燈亮→發(fā)熱盤(pán)發(fā)熱→升溫至70℃低溫控制電路斷開(kāi)→升溫至105℃高溫控制電路斷開(kāi)→兩條電路都斷開(kāi)黃指示燈亮。

(2)紅黃兩指示燈有三根引出線，電路有兩種，一是氖管和電阻串聯(lián)后直接通在220伏電路上，另一種是低壓發(fā)光二極管和變壓電路相連接。三根引出線中紅燈線直接和發(fā)熱盤(pán)的一個(gè)接頭相連接(同時(shí)連到了電源的一條線)，黃燈線和高溫控制觸頭相連(它的上游是低溫控制開(kāi)關(guān)和電源另一條線的連接點(diǎn))，第三根線也稱中性線和高溫控制開(kāi)關(guān)的另一個(gè)觸頭相連(它的上游是發(fā)熱盤(pán)的另一個(gè)接頭)。

(3)紅指示燈的作用是監(jiān)督發(fā)熱盤(pán)是否存在電壓，表示發(fā)熱盤(pán)是否在工作。黃指示燈是被高溫控制開(kāi)關(guān)和低溫控制開(kāi)關(guān)所控制，二者只要有一個(gè)導(dǎo)通就對(duì)黃指示燈短路，黃指示燈就不亮。但是如果兩者都斷開(kāi)則黃指示燈通過(guò)發(fā)熱盤(pán)電阻和電源相通而發(fā)光。

三、電飯鍋溫度控制的物理解釋

(1)雙電路供電，分高溫控制電路和低溫控制電路。高溫控制就是內(nèi)鍋底部高于某溫度(具體溫度由磁性材料決定)就斷開(kāi)電路，讓發(fā)熱盤(pán)停止工作。低溫控制是當(dāng)內(nèi)鍋底部低于某溫度(具體溫度可調(diào)整)電路導(dǎo)通能夠讓發(fā)熱盤(pán)工作，高于某溫度則斷開(kāi)電路，不再向發(fā)熱盤(pán)供電。對(duì)發(fā)熱盤(pán)而言只要有一路導(dǎo)通就能工作。在高溫控制電路和低溫控制電路的控制下，發(fā)熱盤(pán)就能在某一溫度區(qū)間自動(dòng)工作，完成煮飯、保溫的任務(wù)。

(2)高溫控制的原理，電路中有一個(gè)常開(kāi)觸頭，磁缸中有一塊磁性材料，居里點(diǎn)大約105℃，開(kāi)始煮飯時(shí)通過(guò)撥動(dòng)杠桿吸在發(fā)熱盤(pán)底部(同時(shí)將一根彈簧壓縮)，這是利用了磁極能吸引鐵磁質(zhì)的物理原理，常開(kāi)觸頭閉合，電路導(dǎo)通，電飯鍋發(fā)熱盤(pán)工作，當(dāng)溫度升高到105℃以上超過(guò)了磁性材料的居里點(diǎn)而失去磁性，在被壓縮的彈簧作用下，磁性材料自動(dòng)脫落，帶動(dòng)電路斷開(kāi)。當(dāng)然如果需要可用手撥動(dòng)杠桿使磁鐵性材料塊脫離底部—觸頭斷開(kāi)—斷電—停止工作。

(3)低溫控制的原理，金屬片熱脹冷縮—高溫時(shí)斷開(kāi)電路—低溫時(shí)合上電路供電。它是一個(gè)常閉觸頭，升溫后金屬片受熱膨脹壓迫簧片，使觸頭斷開(kāi)；降溫后金屬片冷縮簧片反彈，觸頭閉合。調(diào)溫開(kāi)關(guān)可調(diào)節(jié)臨界點(diǎn)，一般在70℃～80℃。

四、電飯鍋溫度控制的兩個(gè)探究性物理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：低溫控制開(kāi)關(guān)對(duì)溫度的控制

原理：常溫下閉合是一個(gè)常閉開(kāi)關(guān)，溫度升至某值(如70℃)就自動(dòng)斷開(kāi)。反之，溫度下降低于70℃就自動(dòng)閉合。電飯鍋中用來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫目的。利用的是金屬熱脹冷縮物理學(xué)原理。

器材：酒精燈、火柴、低溫開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線、電池、小燈。

步驟：(1)將低溫開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線、電池、小燈組成一個(gè)串聯(lián)電路，常溫下小燈泡發(fā)光，說(shuō)明電路導(dǎo)通。(2)點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)低溫開(kāi)關(guān)加熱，溫度升高超過(guò)某一溫度(如70℃)后，小燈熄滅，說(shuō)明電路斷開(kāi)。(3)當(dāng)?shù)蜏亻_(kāi)關(guān)冷卻溫度下降低于70℃時(shí)，小燈泡發(fā)光，說(shuō)明電路又導(dǎo)通。

實(shí)驗(yàn)2：高溫控制開(kāi)關(guān)對(duì)溫度的控制

原理：常溫下斷開(kāi)是一個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)，手動(dòng)操作后依靠磁性吸合，當(dāng)溫度升至某值(如105℃)就自動(dòng)斷開(kāi)。電飯鍋中用來(lái)實(shí)現(xiàn)防止煮飯煮過(guò)頭的目的。利用的是磁性材料居里點(diǎn)的物理學(xué)原理。

器材：酒精燈、火柴、磁缸、金屬線、老虎鉗、燒杯、清水。

步驟：(1)用老虎鉗將一段金屬線和固定磁性材料的金屬片連接，提起金屬線下面的磁性材料塊能和鐵片吸合，說(shuō)明具有磁性。(2)點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)磁性材料加熱，當(dāng)溫度升高到某一溫度時(shí)，和磁性材料吸合的金屬片自動(dòng)分離，說(shuō)明磁性材料塊失去磁性。(3)將磁性材料塊放入盛有清水的燒杯中，冷卻，再和金屬片接觸能吸合，說(shuō)明磁性材料恢復(fù)了磁性。

五、電飯鍋的簡(jiǎn)單維修

學(xué)習(xí)了電飯鍋的物理原理就可以對(duì)電飯鍋進(jìn)行簡(jiǎn)單維修，需要的工具有：大小合適的螺絲刀、老虎鉗、萬(wàn)用表。對(duì)不能正常工作的電飯鍋先拿出內(nèi)鍋再倒置從底部打開(kāi)，第一步先目測(cè)檢查有沒(méi)有燒壞的地方，主要是各連接導(dǎo)線。第二步用萬(wàn)用表測(cè)量發(fā)熱盤(pán)是否存在電阻，電阻為無(wú)窮大說(shuō)明發(fā)熱盤(pán)已壞。第三步測(cè)量低溫開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通，一般情況下它不易損壞，常溫下客觀存在應(yīng)該導(dǎo)通即電阻為零，否則已壞。第四步用左手從電飯鍋殼體內(nèi)壓住高溫開(kāi)關(guān)再用右手輕壓和高溫開(kāi)關(guān)相連的一根金屬杠桿(類似于煮飯時(shí)在外殼側(cè)面的操作)，如果發(fā)現(xiàn)有磁性吸力說(shuō)明高溫開(kāi)關(guān)沒(méi)有壞，否則已壞。

[1] 陳士元.探究性物理實(shí)驗(yàn)舉例[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2010,10:30-31.

2011-02-25

陳士元，本科，教育碩士，中教高級(jí)。

江蘇省南京市高淳縣第二中學(xué)。