用电磁炉演示涡流等实验

张立新 汪宏兰

(如皋高等师范学校 江苏 南通 226500)

电磁炉是现代家庭普遍使用的加热炊具，用电磁炉演示物理实验，可帮助学生巩固多方面的电磁学知识，如涡流的产生、LC谐振电路、磁性材料性质等．本实验所用的电磁炉有三种状态．工作态：指示灯LED正常发光，炉盘线圈持续振荡，机内散热风机转动；待机状态：指示灯发出频闪光，炉盘线圈间歇式振荡，风机仍然运转；关机态：指示灯熄灭，炉盘线圈切断电源，且风机停止转动．电磁炉能够实现三种状态的自动转换．

1 观察电磁炉产生的涡流

涡流属于一种电磁感应现象．通常所说的电磁感应发生在闭合回路的线圈中，而涡流发生在整体的金属块或金属板中．当穿过金属块或金属板的磁通量发生变化时，在其中便产生感生电流，这就是涡流．用铜导线将12 V的电珠焊接成单匝闭合电路，我们称之为“电珠导线环”．将它置于电磁炉的炉面上，打开电源开关，可观察到电珠发出频闪光，此乃间歇涡流导致的频闪光．学生提问：“为什么电珠不发连续光？”原来因炉面未放置铁磁质锅具，电磁炉处于待机状态．机内CPU定时发出检锅信号，大功率开关管处于间歇导通状态，炉盘线圈也处于间歇振荡态，因此电珠只能发频闪光．频闪可持续1 min，此间若不放置锅具，电磁炉将自动关机．

现将盛水的铁质搪瓷茶缸置于炉面中央，诱导电磁炉投入工作，并将“电珠导线环”圈套在茶缸外围，此时学生看到电珠发出耀眼的连续光，如图1所示．这里，点亮电珠的电流就是涡流．炉盘线圈中流有高频交流电，它产生高频变化的磁场，这些变化的磁通量穿过铁质茶缸的底部以及套在茶缸外围的“电珠导线环”，使导体中的自由电子运动而成为涡流．于是茶缸中的水被烧热、“电珠导线环”发出耀眼的光芒．涡流的功率相当大，可点亮220 V的照明灯．用普通塑料硬铜线绕一个10匝左右的线圈，线圈两端焊上220 V/15 W的照明灯泡，将其置于炉面中央，灯泡居然发出频闪光．电磁炉就是利用锅底的强大涡流产生的大热量来给食物加热的．特别指出，导致涡流的非静电力不是洛伦兹力而是涡旋电场力．

图1 电磁炉涡流点亮电珠

2 LC谐振电路与检锅原理

电磁炉整机工作原理如图2所示．

图2 电磁炉工作原理图

220 V的交流电经过桥式整流和滤波后，获得比较平稳的高压直流电；从直流电源的正极(+)→通过滤波电路的电感→到LC谐振电路的炉盘线圈→到开关管(IGBT)的集电极→经开关管内部→到开关管发射极→最后到直流电源的负极(-)，这样一个直流回路构成了电磁炉工作的强电主体回路(直流电压稳定在310 V)；电磁炉正常加热时，由于开关管快速地做周期性的“开”与“关”动作，直流电在LC回路中变换成了高频交流电，并在锅底感应出高频涡流供食物加热；电磁炉的智能效果由控制电路完成，传感器将检测到的信息送给CPU，CPU通过控制开关管栅极电平的变化使电磁炉实现工作、待机、关机的自动转换；功率大小的调节是用脉冲宽度调制信号控制开关管在每个周期内导通时间与周期时间之比来实现的(即占空比)；此外电磁炉还设置了过压、欠压、过流、过温等自动保护电路．

在电磁炉的使用与实验研究时我们发现，电磁炉有锅时正常工作；无锅或者加热时将锅端开，立即转为待机．电磁炉依据什么原理来检锅呢？原来，电磁炉的炉盘线圈与内部的电容器构成了一个LC谐振电路，参见图2．打开电磁炉底盖，可以指导学生观察圆形扁平的炉盘线圈与谐振电容器．谐振频率f由炉盘线圈的电感量L与电容器的容量C决定，即满足公式

可见，在固定电容器的情况下，谐振频率与电感系数平方根成反比．而LC回路的固有频率在有锅时与无锅时完全不同，有锅时炉盘线圈相当于有铁芯，电感系数L很大，此时LC的振荡频率约为30 kHz；无锅时炉盘线圈转为空心线圈，电感系数L明显减小，振荡频率大大高于30 kHz．

电磁炉启动时，CPU通过驱动电路送给开关管栅极一个矩形脉冲信号，开关管由截止转为导通，于是LC谐振电路获得了一个矩形脉冲．由非周期函数的傅里叶积分可知，该脉冲的频率范围等价于连续频谱，连续频谱中必定有一个频率恰好等于LC电路固有频率(有锅)，该频率信号获得谐振并达到一定的幅值，谐振电压信号反馈到CPU，它检测到单位时间发出的振荡脉冲数与设定脉冲数相同即判定为有锅，同时指令电源系统、信号检测反馈系统、振荡和驱动电路、大功率开关管均投入正常工作．由于开关管的开关频率与炉盘线圈LC固有频率同步相等，因此LC回路达到谐振状态．如果CPU检测到谐振频率大大高于30 kHz，则判定炉面无锅，随即转为待机．总之，电磁炉的检锅原理就是检测LC电路在单位时间内发出的谐振脉冲个数是否满足设定要求．

3 观察顺磁质和抗磁质金属容器加热

铝和铜分别属于顺磁质和抗磁质，它们的导电性很好，但导磁性很差．当使用铝锅和铜锅加热时，它们的相对磁导率与空气基本相等(都约等于1)，此时炉盘线圈的电感量远小于放置铁磁质锅具的电感量，其谐振频率大大高于正常工作频率30 kHz．由于CPU检测不到预定频率的振荡脉冲数，所以单片机判定这类锅具不合要求，随之转换到待机状态．实验可看到，对于铝材料的钢精锅以及铜质容器电磁炉拒绝加热．

4 探究铁磁质金属容器的加热

实验中我们换用直径稍小于炉面的铁磁质金属容器，比如搪瓷茶缸、铁盒子、不锈铁的餐具、脸盆等，电磁炉同样能启动加热；若所用容器直径过小，电磁炉即转为待机．如果使容器底面与炉面的吻贴性稍稍变差，也不影响电磁炉的启动与工作，比如用硬币将容器适当垫高，电磁炉仍然工作．当然容器垫得过高时电磁炉即刻转为待机．实验表明，垫锅底的硬币会发热，时间稍长更会烫手，教师演示操作时要注意安全．日常使用电磁炉时应该以原配锅具为好，偶尔用其他铁磁质金属容器，锅底大小应与炉面基本相同；锅底与炉面接触也应该保持最佳吻贴．这样既提高了加热效率，又减少了电磁辐射污染．

5 检测电磁炉对调幅收音机的影响

按动电源按钮，电磁炉进入待机状态同时发出间歇脉冲，打开中波段收音机来接收这个脉冲，实验结果显示收音机最远约在3 m的距离能接收到该脉冲．因此为减少电磁炉对电器设备的影响，家用电器的放置应该远离电磁炉．同样可用收音机测试电磁炉正常加热时噪波传播的距离；还可以将发光二极管与导线焊接成闭合电路，用它在电磁炉周围移动探测电磁场辐射的距离．