从涡旋电流谈电磁炉锅具的选择

摘 要：电磁炉只能使用配备锅具，铝、铜、陶瓷等弱磁性或非磁性材料制成的锅具则不能正常使用，其原因是弱磁性、非磁性材料的磁导率较小，不利于涡流的产生，以致于难以在电磁炉上有效使用。

关键词：电磁炉；磁导率；电导率；涡流

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）8-0058-3

《涡流》一节出自人教版高中物理选修3-2第四章的第七节。在学习《涡流》这节内容时，很多老师会举电磁炉的例子，电磁炉是涡流的典型应用，且对于学生理解涡流的原理及应用有重要价值。从理论上来讲，当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体都会产生涡流，然而对于电磁炉来讲，并不是任何金属的锅具都能完成加热食物的目的，如铝锅便不能在电磁炉上正常使用。本文将以铝和铁两种金属材料为例，通过定量计算的形式来对电磁炉锅具材料选用的原因进行探讨。

电磁炉的主要结构包括：功率板、主机板、线圈盘1架、风扇马达等。其结构如图1所示：

其工作原理是：通过电子线路板组成部分产生交变电场，由交变电场产生交变磁场，当金属锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部的金属部分产生交变的电流，即涡流。涡流使铁原子高速无规则运动，原子相互碰撞、摩擦而产生热能使炊具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。[1]

如图2所示，在柱形铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，柱状铁芯片就处在交变的磁场中，通过铁芯的磁通量在不断变化，所以产生感应电流。从铁芯的上端俯视，电流的流线呈闭合的旋涡状，因而这种感应电流叫做涡电流，简称涡流。由于大块铁芯的电阻很小，因此涡流可以非常大。强大的涡流在铁芯内流动时，电能转化为内能，从而释放出大量的焦耳热，使铁芯的温度升高。涡流通过金属将电能转换成热能的现象叫做涡流的热效应。

电磁炉的加热原理图如图3所示。

从原理上来看，凡是金属锅具便都能在电磁炉上正常使用。然而，事实并非如此。电磁炉一般都有配备的锅具，大多数是铁锅或者是不锈钢等铁磁性材料，而其他非磁性材料或弱磁性材料制成的锅具（如铝锅），放到电磁炉上的时候，电磁炉是不能正常使用的。其具体原因探讨如下。

影响涡流大小的原因有：磁场的变化方式、导体的几何形状、导体的磁导率、电导率等因素。首先可以明确的是，同一个电磁炉的同一个档位下，电磁炉中交变电流产生的感应磁场都是基本相同的，与此同时，锅的形状也是大同小异，所以对涡流的大小产生的影响微乎其微。那么，电磁炉上影响锅具使用的原因便集中于材料的电导率和磁导率了。

综上所述，磁导率才是影响涡流大小的主要原因，铝、铜、陶瓷等弱磁性材料或非磁性材料由于相对磁导率较小，不能将交变电场放大，以至于产生的涡流较小，产生的热量也远远小于金属铁等铁磁性材料所产生的热量，所以并非理想的电磁炉用具的选择。

涡流的研究十分复杂，至今仍未有确定的公式来表示在一定的磁场强度B下产生的涡流的大小，由于所研究问题的重点在于不同材料的磁导率下所产生的涡流的大小之间的比较，所以，可以定量比较某一微小时段内单位面积下的感应电场相应产生涡流的大小，将其近似看作稳恒电流，从而方便比较。理论上，无论是铁磁性材料还是弱磁性材料都能在交变磁场中产生涡流，但由于如金属铝、铜等这样的弱磁性材料的磁导率较小，在现实生活中难以使用，而非磁性材料更是无法使用。理论与实际总会有偏差，所以将理论的产品投放到现实中前，需要实验来检验。

《涡流》这节内容在“楞次定律”等重要的知识点之后学习，作为一个电磁感应方面相关知识的应用与提高，因此在平时的教学中往往不被教师重视。笔者认为，本节知识的原理虽然不难，但是可以很好地成为学生将学到的知识与身边生活相联系的载体，有助于培养学生的科学探究精神。生活中的诸多现象其原理归根究底是物理问题，通过有效的分析可以明确其中的关系，留意生活中的现象，用物理中的知识解释出来，知道其中的原理，可以利用到其他地方，从而实现“从生活走向物理，从物理走向生活”的理念。

参考文献：

[1]唐冬梅.涡流和电磁炉[J].物理教学，2011（4）：66―67.

[2]刘勇利.一般的电磁炉怎样拆装[J].家电检修技术，2011（19）：45.

[3]于亚婷.与被测材料无关的电涡流传感器基础理论与实现方法的研究[D].成都：电子科技大学博士学位论文，2007.

[4]刘大华.矩形匀变磁场区域周围感应电场的计算[J].物理教学，2010（7）：59―61.

[5]杨亮. 小议“利用涡流现象冶金的优点”[J].物理教学探讨，2010，28（9）：61.