張立新 汪宏蘭

(如皋高等師范學校 江蘇 南通 226500)

電磁爐是現(xiàn)代家庭普遍使用的加熱炊具，用電磁爐演示物理實驗，可幫助學生鞏固多方面的電磁學知識，如渦流的產(chǎn)生、LC諧振電路、磁性材料性質(zhì)等．本實驗所用的電磁爐有三種狀態(tài)．工作態(tài)：指示燈LED正常發(fā)光，爐盤線圈持續(xù)振蕩，機內(nèi)散熱風機轉(zhuǎn)動；待機狀態(tài)：指示燈發(fā)出頻閃光，爐盤線圈間歇式振蕩，風機仍然運轉(zhuǎn)；關(guān)機態(tài)：指示燈熄滅，爐盤線圈切斷電源，且風機停止轉(zhuǎn)動．電磁爐能夠?qū)崿F(xiàn)三種狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換．

1 觀察電磁爐產(chǎn)生的渦流

渦流屬于一種電磁感應現(xiàn)象．通常所說的電磁感應發(fā)生在閉合回路的線圈中，而渦流發(fā)生在整體的金屬塊或金屬板中．當穿過金屬塊或金屬板的磁通量發(fā)生變化時，在其中便產(chǎn)生感生電流，這就是渦流．用銅導線將12 V的電珠焊接成單匝閉合電路，我們稱之為“電珠導線環(huán)”．將它置于電磁爐的爐面上，打開電源開關(guān)，可觀察到電珠發(fā)出頻閃光，此乃間歇渦流導致的頻閃光．學生提問：“為什么電珠不發(fā)連續(xù)光？”原來因爐面未放置鐵磁質(zhì)鍋具，電磁爐處于待機狀態(tài)．機內(nèi)CPU定時發(fā)出檢鍋信號，大功率開關(guān)管處于間歇導通狀態(tài)，爐盤線圈也處于間歇振蕩態(tài)，因此電珠只能發(fā)頻閃光．頻閃可持續(xù)1 min，此間若不放置鍋具，電磁爐將自動關(guān)機．

現(xiàn)將盛水的鐵質(zhì)搪瓷茶缸置于爐面中央，誘導電磁爐投入工作，并將“電珠導線環(huán)”圈套在茶缸外圍，此時學生看到電珠發(fā)出耀眼的連續(xù)光，如圖1所示．這里，點亮電珠的電流就是渦流．爐盤線圈中流有高頻交流電，它產(chǎn)生高頻變化的磁場，這些變化的磁通量穿過鐵質(zhì)茶缸的底部以及套在茶缸外圍的“電珠導線環(huán)”，使導體中的自由電子運動而成為渦流．于是茶缸中的水被燒熱、“電珠導線環(huán)”發(fā)出耀眼的光芒．渦流的功率相當大，可點亮220 V的照明燈．用普通塑料硬銅線繞一個10匝左右的線圈，線圈兩端焊上220 V/15 W的照明燈泡，將其置于爐面中央，燈泡居然發(fā)出頻閃光．電磁爐就是利用鍋底的強大渦流產(chǎn)生的大熱量來給食物加熱的．特別指出，導致渦流的非靜電力不是洛倫茲力而是渦旋電場力．

圖1 電磁爐渦流點亮電珠

2 LC諧振電路與檢鍋原理

電磁爐整機工作原理如圖2所示．

圖2 電磁爐工作原理圖

220 V的交流電經(jīng)過橋式整流和濾波后，獲得比較平穩(wěn)的高壓直流電；從直流電源的正極(+)→通過濾波電路的電感→到LC諧振電路的爐盤線圈→到開關(guān)管(IGBT)的集電極→經(jīng)開關(guān)管內(nèi)部→到開關(guān)管發(fā)射極→最后到直流電源的負極(-)，這樣一個直流回路構(gòu)成了電磁爐工作的強電主體回路(直流電壓穩(wěn)定在310 V)；電磁爐正常加熱時，由于開關(guān)管快速地做周期性的“開”與“關(guān)”動作，直流電在LC回路中變換成了高頻交流電，并在鍋底感應出高頻渦流供食物加熱；電磁爐的智能效果由控制電路完成，傳感器將檢測到的信息送給CPU，CPU通過控制開關(guān)管柵極電平的變化使電磁爐實現(xiàn)工作、待機、關(guān)機的自動轉(zhuǎn)換；功率大小的調(diào)節(jié)是用脈沖寬度調(diào)制信號控制開關(guān)管在每個周期內(nèi)導通時間與周期時間之比來實現(xiàn)的(即占空比)；此外電磁爐還設置了過壓、欠壓、過流、過溫等自動保護電路．

在電磁爐的使用與實驗研究時我們發(fā)現(xiàn)，電磁爐有鍋時正常工作；無鍋或者加熱時將鍋端開，立即轉(zhuǎn)為待機．電磁爐依據(jù)什么原理來檢鍋呢？原來，電磁爐的爐盤線圈與內(nèi)部的電容器構(gòu)成了一個LC諧振電路，參見圖2．打開電磁爐底蓋，可以指導學生觀察圓形扁平的爐盤線圈與諧振電容器．諧振頻率f由爐盤線圈的電感量L與電容器的容量C決定，即滿足公式

可見，在固定電容器的情況下，諧振頻率與電感系數(shù)平方根成反比．而LC回路的固有頻率在有鍋時與無鍋時完全不同，有鍋時爐盤線圈相當于有鐵芯，電感系數(shù)L很大，此時LC的振蕩頻率約為30 kHz；無鍋時爐盤線圈轉(zhuǎn)為空心線圈，電感系數(shù)L明顯減小，振蕩頻率大大高于30 kHz．

電磁爐啟動時，CPU通過驅(qū)動電路送給開關(guān)管柵極一個矩形脈沖信號，開關(guān)管由截止轉(zhuǎn)為導通，于是LC諧振電路獲得了一個矩形脈沖．由非周期函數(shù)的傅里葉積分可知，該脈沖的頻率范圍等價于連續(xù)頻譜，連續(xù)頻譜中必定有一個頻率恰好等于LC電路固有頻率(有鍋)，該頻率信號獲得諧振并達到一定的幅值，諧振電壓信號反饋到CPU，它檢測到單位時間發(fā)出的振蕩脈沖數(shù)與設定脈沖數(shù)相同即判定為有鍋，同時指令電源系統(tǒng)、信號檢測反饋系統(tǒng)、振蕩和驅(qū)動電路、大功率開關(guān)管均投入正常工作．由于開關(guān)管的開關(guān)頻率與爐盤線圈LC固有頻率同步相等，因此LC回路達到諧振狀態(tài)．如果CPU檢測到諧振頻率大大高于30 kHz，則判定爐面無鍋，隨即轉(zhuǎn)為待機．總之，電磁爐的檢鍋原理就是檢測LC電路在單位時間內(nèi)發(fā)出的諧振脈沖個數(shù)是否滿足設定要求．

3 觀察順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)金屬容器加熱

鋁和銅分別屬于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，它們的導電性很好，但導磁性很差．當使用鋁鍋和銅鍋加熱時，它們的相對磁導率與空氣基本相等(都約等于1)，此時爐盤線圈的電感量遠小于放置鐵磁質(zhì)鍋具的電感量，其諧振頻率大大高于正常工作頻率30 kHz．由于CPU檢測不到預定頻率的振蕩脈沖數(shù)，所以單片機判定這類鍋具不合要求，隨之轉(zhuǎn)換到待機狀態(tài)．實驗可看到，對于鋁材料的鋼精鍋以及銅質(zhì)容器電磁爐拒絕加熱．

4 探究鐵磁質(zhì)金屬容器的加熱

實驗中我們換用直徑稍小于爐面的鐵磁質(zhì)金屬容器，比如搪瓷茶缸、鐵盒子、不銹鐵的餐具、臉盆等，電磁爐同樣能啟動加熱；若所用容器直徑過小，電磁爐即轉(zhuǎn)為待機．如果使容器底面與爐面的吻貼性稍稍變差，也不影響電磁爐的啟動與工作，比如用硬幣將容器適當墊高，電磁爐仍然工作．當然容器墊得過高時電磁爐即刻轉(zhuǎn)為待機．實驗表明，墊鍋底的硬幣會發(fā)熱，時間稍長更會燙手，教師演示操作時要注意安全．日常使用電磁爐時應該以原配鍋具為好，偶爾用其他鐵磁質(zhì)金屬容器，鍋底大小應與爐面基本相同；鍋底與爐面接觸也應該保持最佳吻貼．這樣既提高了加熱效率，又減少了電磁輻射污染．

5 檢測電磁爐對調(diào)幅收音機的影響

按動電源按鈕，電磁爐進入待機狀態(tài)同時發(fā)出間歇脈沖，打開中波段收音機來接收這個脈沖，實驗結(jié)果顯示收音機最遠約在3 m的距離能接收到該脈沖．因此為減少電磁爐對電器設備的影響，家用電器的放置應該遠離電磁爐．同樣可用收音機測試電磁爐正常加熱時噪波傳播的距離；還可以將發(fā)光二極管與導線焊接成閉合電路，用它在電磁爐周圍移動探測電磁場輻射的距離．