为何铜锅和铝锅不用于在电磁炉上加热食物?
2023-10-13邓闻天
邓闻天
摘 要:铁、铜和铝是传统锅具常用的材质,但在电磁炉上使用的却是铁锅。从导热、导电和磁化特性等方面对三种材料进行了分析,运用法拉第电磁感应定律、有磁介质时的安培环路定理以及焦耳定律,论证了铁磁质在同样的感应电场中具有更显著的热效应,找出了基本的理论依据。
关键词:磁介质;涡流;相对介电常量;法拉第电磁感应定律;安培环路定理
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2023)9-0063-2
众所周知,在电磁炉上使用的炊具一定是金属制品。电磁炉产生的变化磁场会激发感应电场,而感应电场的场线是闭合的,若有金属处于这一感应电场中,则金属中的自由电子便会在此涡旋电场中受非静电力作用而形成电流,从而可能产生焦耳热而起到加热的作用。
然而,在电磁炉上通常使用的金屬炊具的材料都是钢铁类的,而不用传统的铜锅或铝锅。为什么?这是不少师生都曾想到或提及过的问题。本文基于普通物理电磁学基本理论对此进行分析。
1 几种金属材料的导热、导电特性比较
从在金属导体中通电流加热的角度考虑,对于铁、铜和铝,它们在导热性、电阻率等方面确有差异,其相关参数如表1所示。
从表1可以看出,如果使用相同形状和厚度的锅具,对铁、铜、铝三种材料,从导热角度考虑,铜的导热性能最好,而铁的最差;从发热角度考虑,根据焦耳定律,通过的电流相同时,铁的电阻最大因而发热最明显,铜的电阻最小因而发热最差。使用传统的燃料加热方式时,因为铜的热传导性能优良,所以成为优选的炊具材料,但因其价格较贵而使用者相对较少。相反,因为铁的价格相对便宜等原因,尽管其导热性能不如铜,但使用更广泛。
但是,在电磁炉上使用的炊具常常是铁质的,而不使用铜或铝质的,这显然不应是其电阻率或热导率不同的缘故。那到底是什么原因呢?
2 涡流加热的基本原理
根据法拉第电磁感应理论,当磁场发生变化时,会在其周围空间激发感应电场。而这种感应电场是非静电场,其场线为闭合曲线。若将大块导体置于此感应电场中,导体中的自由电子便会受到感应电场的电场力作用而逆着电场线方向运动形成感应电流,此电流在金属导体内部会形成闭合回路,即为涡电流或涡流(又称傅科电流)[1]。
既然铜、铝和铁都是金属导体,它们都有自由电子,都能在变化的磁场产生的感应电场中产生涡流,但为什么铜或铝质锅具不在电磁炉上使用呢?这涉及它们另一个重要物理特性的差异。
3 磁介质的磁化特性
物理学中,把一切能够被磁化的物质统称为磁介质。按照磁介质被磁化时表现出来的特性的不同,可将其分为顺磁质、抗磁质和铁磁质三大类。若某一电流在真空中激发的磁场的磁感应强度为B0,当在此磁场中放入顺磁质时,其被磁化后介质中的磁感应强度B略大于B0,即B>B0;当在此磁场中放入抗磁质时,其被磁化后介质中的磁感应强度B略小于B0,即B<B0;而当在此磁场中放入铁磁质时,其被磁化后介质中的磁感应强度B会远大于B0,即B>>B0。锰、铬、铂、铝、镁、锂、钠、钾、氮等属于顺磁性磁介质,水银、铜、铋、金、银、锌、铅、硫、氯、氢等属于抗磁性磁介质,铁、锲、钴、镍、钆及它们的合金、铁氧体等则属于铁磁性磁介质[1]。
那么,在同样的变化磁场中,为什么铁磁质就能产生更显著的热效应而用于加热呢?这可以用电磁感应等相关理论进行分析。
4 理论分析
根据法拉第电磁感应定律,当空间中磁场的磁感应强度随时间发生变化时,会在其磁场区域内外产生感应电场i,它们之间的关系为
其中,εi为介质中某一闭合回路上的感应电动势。
若磁介质的相对磁导率为μr,介质中磁感应强度 和磁场强度的关系为
根据有磁介质时的安培环路定理,有
其中,∑Ii为闭合回路所包围的传导电流代数和。
由(3)式可知,对电磁炉而言,∑Ii为某闭合回路所包围的电磁炉线圈中的电流代数和,仅由电磁炉决定,与锅具无关。即对置于电磁炉上的各种锅具,是等同的。
根据(2)式,磁介质中的磁感应强度则是磁场强度的μ倍,而μ=μ0 μr,其中真空中的磁导率μ0为常数。表2列出了铁、铜和铝的相对磁导率μr。
从表2可以看出,铁的相对磁导率远远高于铜和铝。因此,在相同条件下,铁磁质中产生的磁场的磁感应强度也会远远大于铜和铝中的。
再根据(1)式和(2)式,可得
由(4)式可以看出,因为铁磁质的相对磁导率μr显著大于铜和铝的,所以在磁场强度H随时间变化情况相同时,在同样大小的环路上铁磁质中产生的感应电动势也会比在铜和铝介质中的大得多。
虽然铁的电阻率比铜和铝的大,但它们仍为同一数量级(可近似认为相同条件下三者的电阻几乎相同)。根据焦耳定律,阻值为R的电阻两端电压为εi时,其消耗的热功率为
从(5)式可知,在导体上产生的焦耳热和ε成正比。在铁、铜和铝的电阻R大致相同的情况下,同样的变化电流产生了相同的(也随时间变化),但因铁的相对磁导率μr远大于铜和铝的,εi与μr成正比,产生的热功率则与μ成正比。因而,在同样的电磁炉上,铁锅中产生的热效率会显著大于铜和铝的。
此外,因为铜是抗磁质,所以当将铜锅置于开启的电磁炉上时,其感应磁场还会对电磁炉线圈中的电流有阻碍作用,影响其工作效率。铝虽为顺磁质,但其对原磁场的加强作用也并不明显。
5 结 论
虽然铜锅和铝锅的导热性比铁锅更好,有利于传热,但因其相对磁导率远小于铁而导致发热效率极低,因而在电磁炉上使用铁锅而非铜锅和铝锅。实际生活中有很多常见的应用都有着深刻的物理原理,只要我们抽丝剥茧,一步步剖析其机理,就能很好地运用所学的物理学基础知识去认识和理解,并进一步激发学生对物理学的兴趣。
参考文献:
[1]程守洙,江之永. 普通物理学(第八版)[M].北京:高等教育出版社,2022.
(栏目编辑 蒋小平)