用電磁爐演示渦流等實驗

張立新 汪宏蘭

(如皋高等師范學校 江蘇 南通 226500)

電磁爐是現代家庭普遍使用的加熱炊具，用電磁爐演示物理實驗，可幫助學生鞏固多方面的電磁學知識，如渦流的產生、LC諧振電路、磁性材料性質等．本實驗所用的電磁爐有三種狀態．工作態：指示燈LED正常發光，爐盤線圈持續振蕩，機內散熱風機轉動；待機狀態：指示燈發出頻閃光，爐盤線圈間歇式振蕩，風機仍然運轉；關機態：指示燈熄滅，爐盤線圈切斷電源，且風機停止轉動．電磁爐能夠實現三種狀態的自動轉換．

1 觀察電磁爐產生的渦流

渦流屬于一種電磁感應現象．通常所說的電磁感應發生在閉合回路的線圈中，而渦流發生在整體的金屬塊或金屬板中．當穿過金屬塊或金屬板的磁通量發生變化時，在其中便產生感生電流，這就是渦流．用銅導線將12 V的電珠焊接成單匝閉合電路，我們稱之為“電珠導線環”．將它置于電磁爐的爐面上，打開電源開關，可觀察到電珠發出頻閃光，此乃間歇渦流導致的頻閃光．學生提問：“為什么電珠不發連續光？”原來因爐面未放置鐵磁質鍋具，電磁爐處于待機狀態．機內CPU定時發出檢鍋信號，大功率開關管處于間歇導通狀態，爐盤線圈也處于間歇振蕩態，因此電珠只能發頻閃光．頻閃可持續1 min，此間若不放置鍋具，電磁爐將自動關機．

現將盛水的鐵質搪瓷茶缸置于爐面中央，誘導電磁爐投入工作，并將“電珠導線環”圈套在茶缸外圍，此時學生看到電珠發出耀眼的連續光，如圖1所示．這里，點亮電珠的電流就是渦流．爐盤線圈中流有高頻交流電，它產生高頻變化的磁場，這些變化的磁通量穿過鐵質茶缸的底部以及套在茶缸外圍的“電珠導線環”，使導體中的自由電子運動而成為渦流．于是茶缸中的水被燒熱、“電珠導線環”發出耀眼的光芒．渦流的功率相當大，可點亮220 V的照明燈．用普通塑料硬銅線繞一個10匝左右的線圈，線圈兩端焊上220 V/15 W的照明燈泡，將其置于爐面中央，燈泡居然發出頻閃光．電磁爐就是利用鍋底的強大渦流產生的大熱量來給食物加熱的．特別指出，導致渦流的非靜電力不是洛倫茲力而是渦旋電場力．

圖1 電磁爐渦流點亮電珠

2 LC諧振電路與檢鍋原理

電磁爐整機工作原理如圖2所示．

圖2 電磁爐工作原理圖

220 V的交流電經過橋式整流和濾波后，獲得比較平穩的高壓直流電；從直流電源的正極(+)→通過濾波電路的電感→到LC諧振電路的爐盤線圈→到開關管(IGBT)的集電極→經開關管內部→到開關管發射極→最后到直流電源的負極(-)，這樣一個直流回路構成了電磁爐工作的強電主體回路(直流電壓穩定在310 V)；電磁爐正常加熱時，由于開關管快速地做周期性的“開”與“關”動作，直流電在LC回路中變換成了高頻交流電，并在鍋底感應出高頻渦流供食物加熱；電磁爐的智能效果由控制電路完成，傳感器將檢測到的信息送給CPU，CPU通過控制開關管柵極電平的變化使電磁爐實現工作、待機、關機的自動轉換；功率大小的調節是用脈沖寬度調制信號控制開關管在每個周期內導通時間與周期時間之比來實現的(即占空比)；此外電磁爐還設置了過壓、欠壓、過流、過溫等自動保護電路．

在電磁爐的使用與實驗研究時我們發現，電磁爐有鍋時正常工作；無鍋或者加熱時將鍋端開，立即轉為待機．電磁爐依據什么原理來檢鍋呢？原來，電磁爐的爐盤線圈與內部的電容器構成了一個LC諧振電路，參見圖2．打開電磁爐底蓋，可以指導學生觀察圓形扁平的爐盤線圈與諧振電容器．諧振頻率f由爐盤線圈的電感量L與電容器的容量C決定，即滿足公式

可見，在固定電容器的情況下，諧振頻率與電感系數平方根成反比．而LC回路的固有頻率在有鍋時與無鍋時完全不同，有鍋時爐盤線圈相當于有鐵芯，電感系數L很大，此時LC的振蕩頻率約為30 kHz；無鍋時爐盤線圈轉為空心線圈，電感系數L明顯減小，振蕩頻率大大高于30 kHz．

電磁爐啟動時，CPU通過驅動電路送給開關管柵極一個矩形脈沖信號，開關管由截止轉為導通，于是LC諧振電路獲得了一個矩形脈沖．由非周期函數的傅里葉積分可知，該脈沖的頻率范圍等價于連續頻譜，連續頻譜中必定有一個頻率恰好等于LC電路固有頻率(有鍋)，該頻率信號獲得諧振并達到一定的幅值，諧振電壓信號反饋到CPU，它檢測到單位時間發出的振蕩脈沖數與設定脈沖數相同即判定為有鍋，同時指令電源系統、信號檢測反饋系統、振蕩和驅動電路、大功率開關管均投入正常工作．由于開關管的開關頻率與爐盤線圈LC固有頻率同步相等，因此LC回路達到諧振狀態．如果CPU檢測到諧振頻率大大高于30 kHz，則判定爐面無鍋，隨即轉為待機．總之，電磁爐的檢鍋原理就是檢測LC電路在單位時間內發出的諧振脈沖個數是否滿足設定要求．

3 觀察順磁質和抗磁質金屬容器加熱

鋁和銅分別屬于順磁質和抗磁質，它們的導電性很好，但導磁性很差．當使用鋁鍋和銅鍋加熱時，它們的相對磁導率與空氣基本相等(都約等于1)，此時爐盤線圈的電感量遠小于放置鐵磁質鍋具的電感量，其諧振頻率大大高于正常工作頻率30 kHz．由于CPU檢測不到預定頻率的振蕩脈沖數，所以單片機判定這類鍋具不合要求，隨之轉換到待機狀態．實驗可看到，對于鋁材料的鋼精鍋以及銅質容器電磁爐拒絕加熱．

4 探究鐵磁質金屬容器的加熱

實驗中我們換用直徑稍小于爐面的鐵磁質金屬容器，比如搪瓷茶缸、鐵盒子、不銹鐵的餐具、臉盆等，電磁爐同樣能啟動加熱；若所用容器直徑過小，電磁爐即轉為待機．如果使容器底面與爐面的吻貼性稍稍變差，也不影響電磁爐的啟動與工作，比如用硬幣將容器適當墊高，電磁爐仍然工作．當然容器墊得過高時電磁爐即刻轉為待機．實驗表明，墊鍋底的硬幣會發熱，時間稍長更會燙手，教師演示操作時要注意安全．日常使用電磁爐時應該以原配鍋具為好，偶爾用其他鐵磁質金屬容器，鍋底大小應與爐面基本相同；鍋底與爐面接觸也應該保持最佳吻貼．這樣既提高了加熱效率，又減少了電磁輻射污染．

5 檢測電磁爐對調幅收音機的影響

按動電源按鈕，電磁爐進入待機狀態同時發出間歇脈沖，打開中波段收音機來接收這個脈沖，實驗結果顯示收音機最遠約在3 m的距離能接收到該脈沖．因此為減少電磁爐對電器設備的影響，家用電器的放置應該遠離電磁爐．同樣可用收音機測試電磁爐正常加熱時噪波傳播的距離；還可以將發光二極管與導線焊接成閉合電路，用它在電磁爐周圍移動探測電磁場輻射的距離．