关于《物理3-2》涡流学习的疑问

汪礼杨

摘要：“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，许多与生活、生产相关的科技问题纷纷进入教材，在给中学物理带来新的面貌的同时，也使广大物理教师面临新挑战。电磁炉作为一种高效节能的灶具逐渐为人们所喜爱。它利用了电磁感应涡流加热原理。经常有同学质疑，为什么电磁炉只能用铁锅，而不能用铝、铜等金属呢？是不是铝、铜不能形成涡流？

关键词：电磁炉；涡流；磁导率；磁介质

在新课程人教版《物理3—2》第四章电磁感应章有涡流的内容。在介绍涡流的应用中很多老师就将电磁炉作为例子介绍。接触过电磁炉的学生就可能提出，电磁炉的锅具为什么不能是铜锅或铝锅？这一问可能难倒一些老师，即使老师不介绍，学生不问，老师也很有可能在课后材料或学生练习中遇到。笔者和很多物理老师一样，对此问题产生很大困惑。经过了长时间思考，查阅了很多资料，也咨询了一些专家，此问题才得以解决。

让我们先来看看电磁炉的工作原理。

当闭合回路中磁通量发生变化时，根据电磁感应及愣次定律，导线中将产生电流。当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中会产生感应电流。实际上，这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流。块状金属置于随时间变化的磁场中时，金属内的电子在感应电场力的作用下会产生感应电流，这样的电流看起来就像水中的旋涡，称为涡电流简称涡流。当线圈中通有变化的电流，线圈周围就产生变化的磁场，金属内部等效为无数个闭合回路，变化的磁场在回路中产生涡流。

涡流像其它电流一样，金属块中的涡流也要产生焦耳热，即涡流的热效应。利用涡流的热效应进行加热的方式称为感应加热。电磁炉作为一种新型环保节能灶具，就是采用涡流热效应的原理来加热的。如图所示，绕圈中通入交变的电流，通过炉内电子线路板组成部分便会产生交变的磁场。当用锅具底部放置炉面时，其磁通量发生变化，锅具即切割交变磁感线而在锅具底部产生涡流使锅具发热，用来烹饪食物。既然电磁炉的工作原理是利用涡流，铜锅、铝锅是金属的，那么在电磁炉上放上铜锅、铝锅的话应该也会产生涡流；但是实际实验当中我们并没有发现到涡流产生的热量。是我们的理论出现问题了吗，还是我们的认识不够深入？是不是因为铜锅、铝锅上产生的涡流特别小呢？但根据涡流的特点，金属块的电阻率越小，则导体中的涡流应越大，产生的热量越多。铜、铝的电阻率都比铁小，似乎铜锅、铝锅在电磁炉上产生的涡流应比铁锅的大，产生的热量应该更多。

事实上铜锅、铝锅放在打开的电磁炉上基本上没有产生涡流。这是因为涡流的大小除了与磁场的变化方式、金属电阻率有关外，还有导体的磁导率起着关键作用。

在磁场的作用下能发生变化并能反过来影响磁场的介质吸叫做磁介质。磁介质在磁场作用下的变化叫做磁化。事实上，任何介质在磁场作用下都或多或少地发生变化并过来影响磁场，因此任何介质都可以看作磁介质。

实验和理论研究表明，磁介质按其磁特性分为三类：（1）顺磁质；（2）抗磁质；（3）铁磁质。当磁介质进入磁场，受磁场感应，也会产生一个小磁场。如果小磁场和原磁场同方向，就会加强（加强较小）原磁场，这种磁介质就是顺磁质。有外磁场时，抗磁质分子受磁场作用生成感应磁矩，且磁矩方向和外磁场方向相反，于是就在磁介质内部产生与外磁场方向相反的附加磁场，从而使总磁场减弱，这种磁介质就是抗磁质。某些物质，在受到外磁场磁化时，显出比顺磁性强得多的磁性，而且在去掉磁场后还保留磁性，这种磁介质就是铁磁质。

顺磁质、抗磁质的磁特性与铁磁质有很大不同，可合称为非铁磁质。磁导率μ是描述磁介质性质的宏观标量。μ0为真空的磁导率，某种磁介质的磁导率μ与真空磁导率μ0的比值叫做磁介质的相对磁导率（μr）。按照磁介质的分类，铝属于顺磁介质，磁导率略大于1，铜属于抗磁介质，其相对磁导率略小于1，而铁属于铁磁质，磁导率大概在2000到100000之间。抗磁质、顺磁质的磁导率远小于铁磁质。

抗磁介质在外界磁场B0的作用下引起感应分子电流所形成的B'与B0反向，抗磁质的电子磁矩矢量和近乎零。而顺磁质亦有此效应，其影响相对较小，顺磁质的电子磁矩矢量也是很小。所以属于抗磁质、顺磁质的铜、铝锅放在电磁炉上，在锅上通过变化的磁感线甚弱。因此电磁炉不能使用铜锅和铝锅。

铁属于铁磁介质，铁磁介质在外磁场B0的作用下引起感应分子电流所形成的B'与B0同向，因此铁介质内的磁场B=B0+B'，而B'远远大于B0，因此铁锅放在电磁炉上的合磁场强度远远大于电磁炉线圈产生的磁场强度，铁锅就可以得到很大的涡流，从而可以起到快速加热的要求。

科学不等于技术，基本物理原理不等于原理在技术领域的应用。一项技术成果往往会涉及原理、结构、材料、工艺等多方面的问题。关于电磁炉，大家也有多种不同的解释，对这类问题我们希望大家不要停留在想象、猜测上，也不要单凭网上检索；应当具体地研究，包括对电器解剖、科学实验和向专家咨询等，以便得到较全面正确的答案。

参考文献

[1] 秦曾煌，《电工学》，高等教育出版社，2003.6.

[2] 褚圣麟，《原子物理学》，高等教育出版社，2000.1.

[3] 梁灿彬，《电磁学》，高等教育出版社，2004.5.2.

[4] 人教版物理《选修3-2》，人民教育出版社，2010.4.3.