高中物理中电磁学的实践研究

摘 要：电磁学已成为物理学的一个重要分支，是研究电磁运动基本规律的学科。电磁学理论的发展不仅是电工学、无线电电子学、电子计算机技术及其他新科学、新技术发展的理论依据，而且也与人们的日常生活和生产技术有着十分密切的关系。

关键词：电磁感应 电磁炉 电磁炮

电磁学从原来互相独立的两门学科——电学、磁学，发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即1820年丹麦物理学家奥斯特发现的电流的磁效应和1831年英国物理学家法拉第发现的电磁感应现象。这两个实验现象，以及1865年英国物理学家麦克斯韦提出的感应电场和位移电流的的假说，奠定了电磁学的整个理论体系。[1]

如今，电磁学已成为物理学的一个重要分支，是研究电磁运动基本规律的学科。电磁学理论的发展不仅是电工学、无线电电子学、电子计算机技术及其他新科学、新技术发展的理论依据，而且也与人们的日常生活和生产技术有着十分密切的关系，下面举例说明电磁学在生活中应用。

先来谈谈电磁炉。随着生活水平的提升，人们对安全卫生的炊事用具逐渐接受，电磁炉也进入千家万户。[2]

电磁炉是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。电磁炉的功率一般在700～1800W之间，它的结构主要由外壳、高级耐热晶化陶瓷板、PAN 电磁线盘、加热电路板、控制电路板、显示电路板、风扇组件及电源等组成。[3]

电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。

在电磁炉内部，由整流电路将50Hz的交流电压变成直流电压，再经过控制电路将直流电压转换成频率为15～40kHz 的高频电压，高速变化的电流流过扁平空心螺旋状的感应加热线圈（励磁线圈），线圈会产生高频交变磁场。其磁感线穿透灶台的陶瓷台板而作用于不锈钢锅（导磁又导电材料）底部，在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生。渦流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换，锅底迅速释放出大量的热量，就是烹调的热源。

那么涡流又是如何产生的呢？在柱形铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，每个铁芯片就处在交变的磁场中。铁芯可看成是由一系列半径逐渐变化的柱状薄壳组成，每层薄壳构成一个闭合回路。在交变的磁场中，通过这些薄壳的磁通量都在不断地变化，所以沿着一层层的壳壁产生感应电流。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，而使铁芯的温度升高。

电磁炉工作过程中热量由锅底直接感应磁场产生涡流来产生的，因此应该选择对磁敏感的铁来作为炊具，由于铁对磁场的吸收充分、屏蔽效果也非常好，这样减少了很多的磁辐射，所以铁锅比其他任何材质的炊具也都更加安全。此外，铁是对人体健康有益的物质，也是人体长期需要摄取的必要元素。

电磁炉具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”。

再来说说电磁炮。电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。自80年代初期以来，电磁炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分。

传统火炮提高炮弹初速只能通过增加发射药量来实现，但火炮药室尺寸的增大及炮管长度的加长均受限制，所以传统火炮最大初速难以超越物理限度，而电磁炮则完全摆脱了这一瓶颈。与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程。[4]

电磁炮主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的装置。目前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机，其中单极发电机是近期内最有前途的能源。加速器是把电磁能量转换成炮弹动能，使炮弹达到高速的装置。主要有：使用低压直流单极发电机供电的轨道炮加速器和离散或连续线圈结构的同轴同步加速器两大类。开关是接通能源和加速器的装置，能在几毫秒之内把兆安级电流引进加速器中。

电磁炮的原理非常简单。磁场对电流的作用力，可以使通电导体运动，把电能转化成机械能。利用这一原理，科学家提出用磁场对电流的作用力发射炮弹。可以说，电磁炮是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。那么如何产生驱动炮弹的磁场，并让电流经过炮弹，使它获得前进的动力呢？一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。

轨道炮：轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去。它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸。当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理。

参考文献

[1]芶秉聪、胡海云主编.大学物理（下册）[M].北京：国防工业出版社，2012.

[2]韩广兴.电磁炉原理使用与维修技术[M].北京：教育音响出版社，2007.

[3]孙运升.电磁炉维修基本技能[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[4]黄莹，赵佳.电磁炮的基本原理及在军事上的应用[J].现代物理知识，2004，11.

作者简介

孙少卿（1999.10）男，山东省临沂第一中学学生