電磁加熱原理與應(yīng)用

1、電磁學課程探究型學習主題論文電磁加熱原理及其應(yīng)用電磁爐石偉杰 王進 翁彬（西北工業(yè)大學理學院應(yīng)用物理系 11051002班）摘要現(xiàn)在，使用電磁爐的人越來越多，其加熱原理正是利用電磁感應(yīng)原理，由電流產(chǎn)生磁場。并且我們知道，磁介質(zhì)可大大改變磁場的分布及其大小。金屬在在變化的磁場中，可產(chǎn)生感應(yīng)電流。對于金屬板，可在變化的磁場中產(chǎn)生渦流，進而生熱，烹調(diào)食物。電磁爐已經(jīng)是現(xiàn)代家庭烹飪食物的先進電子炊具它使用起來非常方便，可用來進行煮、炸、煎、蒸、炒等各種烹調(diào)操作特點是效率高、體積小、重量輕、噪音小、省電節(jié)能、不污染環(huán)境、安全衛(wèi)生，烹飪時加熱均勻。能較好地保持食物的色、香、昧和營養(yǎng)素，是實現(xiàn)廚房現(xiàn)代化不可

2、缺少的新型電子炊具對其工作原理進行深入的了解與學習有較為實際的利用價值。為此，我們決定對電磁爐的簡單原理進行探究性學習。關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)，磁介質(zhì)，質(zhì)渦流1. 概論：電磁感應(yīng)定律法拉弟發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，不同金屬導體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小不同，其大小與導體的電阻成反比，因此他意識到感應(yīng)電流是由與導體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的。最終這位偉大的科學家根據(jù)大量的實驗結(jié)果，得出結(jié)論：導體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小。與導體回路中的磁能量的變化率在成正比。 其數(shù)學表達式為：。由此可知，變化的磁場可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如此，若回路閉合，必可產(chǎn)生感應(yīng)電流，而我們知道，磁介質(zhì)可改變磁場分布。利用相關(guān)知識制作出控制

3、系統(tǒng)。便可有效的利用磁能及渦流，使鐵質(zhì)器材在變化的磁場中產(chǎn)生強大的渦流，將電能再轉(zhuǎn)化為熱能，供人類使用。2. 主題內(nèi)容的電磁學原理或物理原理電磁爐加熱原理如下圖所示：灶臺臺面是一塊高強度、耐擊的陶瓷玻璃平板(結(jié)晶玻璃)，臺面下邊裝有高頻感應(yīng)加熱線圈(即勵磁線圈或誘導加熱線圈)、高頻電力轉(zhuǎn)換裝置及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，臺面的上面放有平底鐵質(zhì)烹飪鍋。電流電壓經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電，又經(jīng)高頻電力轉(zhuǎn)換裝置使直流電變?yōu)槌^音頻的高頻交流電，將高頻交流電加在扁平空心螺旋狀的感應(yīng)加熱線圈上，由此產(chǎn)生高頻交變磁場。其磁力線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于金屬鍋。在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應(yīng)就有強大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻

4、流動時完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是烹調(diào)的熱源2.1 研究內(nèi)容的理論基礎(chǔ)電磁爐是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場，當用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流，渦流使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運動，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能使器具本身自行高速發(fā)熱，既然電磁爐的工作原理是利用渦流, 那么在電磁爐上放上銅鍋、鋁鍋的話應(yīng)該也會產(chǎn)生渦流; 但是實驗并沒觀察到渦流產(chǎn)生的熱量. 是不是因為銅鍋、鋁鍋上產(chǎn)生的渦流特別小呢?但根據(jù)渦流的特點, 塊狀金屬的電阻率越小, 則導體中的渦流應(yīng)越大. 銅、鋁的電阻率都比鐵的電阻率小, 似乎銅鍋、鋁鍋在電磁爐上產(chǎn)生的渦流應(yīng)比

5、鐵鍋的大. 其實銅鍋、鋁鍋放在打開的電磁爐上基本沒有產(chǎn)生渦流. 這是因為渦流的大小除了與磁場的變化方式、金屬電阻率有關(guān)外, 導體的磁導率起著關(guān)鍵作用. 按照磁介質(zhì)的分類, 銅屬于抗磁介質(zhì), 磁導率略小于1, 鋁屬于順磁介質(zhì), 磁導率略大于1, 而鐵屬于鐵磁質(zhì), 磁導率大概在2 000 到100 000 之間. 下面我們可以簡單介紹一下其三者之間的差別：抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)的磁導率遠小于鐵磁質(zhì). 如圖所示,抗磁介質(zhì)在外界磁場B0 的作用下引起感應(yīng)分子電流所形成的B與B0反向, 抗磁質(zhì)的電子磁矩矢量和近乎零. 而順磁質(zhì)亦有此效應(yīng), 其影響相對較小, 順磁質(zhì)的電子磁矩矢量也是很小. 所以屬于抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)

6、的銅、鋁鍋放在電磁爐上,鍋上通過變化的磁感線甚弱. 因此電磁爐不能使用銅鍋和鋁鍋.鐵屬于鐵磁介質(zhì), 鐵磁介質(zhì)在外磁場B0 的作用下引起感應(yīng)分子電流所形成的B 與B0 同向, 因此鐵介質(zhì)內(nèi)的磁場B = B0+ B, 而B遠遠大于B0, 因此鐵鍋放在電磁爐上的合磁場強度遠遠大于電磁爐線圈產(chǎn)生的磁場強度, 鐵鍋就可以得到很大的渦流從而可以起到快速加熱的要求.2.2 研究內(nèi)容的其他物理學基礎(chǔ) 電工電路知識(1) 交流輸入電路：該電路由插件保險絲、消干擾電容，壓敏電阻、電流互感器CT1等元器件組成。該電路的作用是將交流220V電壓中的高頻雜波干擾濾除后，一路經(jīng)電流互感器的初級加到整流橋堆DB1的交流輸入

7、端，由橋堆整流出300V左右的電壓；另一路經(jīng)二極管整流后為開關(guān)電源提供工作電壓。(2) LC振蕩電路：該電路由整流橋堆DB1、扼流線圈L1、濾波電容C14、高頻諧振電容、功率管及加熱線圈等元器件組成。該電路作是將300V電壓轉(zhuǎn)換成磁能形式并儲存在加熱線盤上與鍋具產(chǎn)生渦流對鍋具進行加熱。 (3) 同步電路：該電路由集成電路IC2D及外圍元器件組成。該電路的作用是從LC振蕩電路中檢測出同步信號控制驅(qū)動脈沖，使加到功率管控制極脈沖前沿與集電極峰值脈沖消失的保持同步，保證功率管不因同步失控而損壞。(4) 振蕩電路：該電路由比較器、二極管、電阻、電容C32等元器件組成。該電路的作用是與同步電路檢測出的方

8、波脈沖.進行比較產(chǎn)生鋸齒波驅(qū)動脈沖電壓控制功率管的導通與截止。(5) 驅(qū)動電路：該電路由比較器、三極管及外圍元器件組成。該電路的作用是將振蕩電路輸出幅度較小的驅(qū)動電路加以整形放大到18V電壓并加到功率管的控制極，使功率管良好地飽和導通。(6) 開關(guān)電源電路：該電路由集成電路及外圍元器件組成。該電路作用是將220V電壓整流穩(wěn)壓輸出18V電壓供風扇、驅(qū)動電路使用，輸出5V電壓供CPU及集成電路基準參考電壓使用。 (7) 功率管過壓保護電路：該電路由比較器及外圍元器件組成。該電路的作用是電磁爐工作時時刻檢測功率管集電極電壓的變化，保證功率管不因峰值脈沖電壓過高而損壞。(8) 檢鍋電路：該電路由比較器

9、及外圍元器件組成。該電路的作用是從LC振蕩電路中檢測出檢鍋脈沖加到CPU上，由CPU判斷電磁爐 是否放入合適的鍋具。(9) 電流檢測電路：該電路由電流互感器，電磁電容，電阻.及整流爐原二極管等元器件組成。該電路作用是電磁爐理與工作時時刻檢測主回路電流的變化，并將此電流的常見變化轉(zhuǎn)換成電壓形式，一路加到過流保護電路控制故障PWM脈沖控制電壓的大??；另一路加到CPU上，分析CPU根據(jù)電流檢測電壓的變化，輸出相應(yīng)的動作指令。(10) 過流保護電路：。該電路作用當電磁爐由于某種異常原因使主回路電流增大時經(jīng)此保護電路，可導致功率管導通時間變短而截止時間變長，電磁爐輸出功率下降，主回路電流減小，從而保證功

10、率管不因電流過大而損壞。(11) 電網(wǎng)電壓保護電路：該電路由Q7及外圍元器件組成。該電路的作用當交流輸入電壓大于260V或小于160V時，橋堆輸出電壓過高或過低，相應(yīng)地在發(fā)射極輸出檢測電壓會大于或小于正常值許多。CPU根據(jù)檢測電壓的變化，內(nèi)部保護電路動作輸出關(guān)機保護信息，使電磁爐不因電網(wǎng)電壓過高或過低而損壞。 (12) 浪涌保護電路：該電路由比較器及外圍元器件組成。該電路的作用是當電網(wǎng)中出現(xiàn)瞬間浪涌電壓干擾時，能及時地使功率管不被浪涌電壓擊穿損壞。(13) PWM脈寬調(diào)制電路：該電路由電阻、電容等元器件組成。該電路作用是將CPU輸出的不同占空比方波脈沖經(jīng)平滑濾波積分后，變成相應(yīng)的脈沖直流電壓加

11、到振蕩電路，控制功率管的導通時間。 (14) 鍋具溫度檢測電路：該電路由鍋具溫度檢測熱敏電阻、電阻,電容等組成。該電路作用是熱敏電阻通過陶瓷面板時刻檢測鍋具溫度的變化，并將此溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓形式加到CPU上，CPU根據(jù)此電壓的變化間接地檢測鍋具溫度的變化，輸出相應(yīng)的動作指令。(15) 功率管溫度檢測電路：該電路由功率管溫度檢測熱敏電阻、電阻、電容等元器件組成。該電路的作用是熱敏電阻通過功率管散熱片,時刻檢測功率管溫度的變化，并將此溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓形式加到CPU上，CPU根據(jù)此電壓的變化間接地檢測功率管溫度的變化，并輸出相應(yīng)的動作指令。 (16) 風扇驅(qū)動電路：該電路的作用是通過CPU輸

12、出驅(qū)動信號控制風扇轉(zhuǎn)動，將電磁爐內(nèi)部元器件工作時產(chǎn)生的熱量排放到電磁爐外部，防止內(nèi)部元器件因溫度過高而損壞。 另外還涉及線圈的互感與自感現(xiàn)象的相關(guān)運用。2.3 研究內(nèi)容用到的其他理論基礎(chǔ)或工具(1)諧振電容，電路中電壓和電流同相位的情況，與交流電的頻率有關(guān)。(2)濾波電容：用在電源整流電路中，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑。(3)扼流線圈：扼制瞬間電流過大，防止擊穿開關(guān)電源和磁控管；在板上不起扼流作用而起阻流作用。(4)電流互感器：電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓形式。(5)保險絲：保護電路作用。(6)IOBT：通過低電流信號、控制大電流的通斷。(7)橋式整流塊：將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。(8)熱敏

13、電阻件：將熱量信號傳遞到控制電路。(9)蜂鳴器：警報發(fā)出聲響。(10)中央控制單元：操縱整機遠程工作。(11)風器組件：散熱輔助元件。3. 研究內(nèi)容的研究現(xiàn)狀、手段、特色與先進性3.1研究現(xiàn)狀（包括先進性等）電磁爐特點 節(jié)能(熱效率高)電磁爐的優(yōu)勢首先表現(xiàn)在它的熱效率極高。電磁爐的應(yīng)用電磁感應(yīng)使鐵物質(zhì)的底部產(chǎn)生無數(shù)小渦流，大大提高了熱效率。煤氣爐及電飯鍋的加熱原理是先燒紅器皿底部直接加熱鍋內(nèi)食物，另有部分熱耗用在燃燒空氣，熱效率在40一65之間，熱能耗量大、煮食慢。而電磁爐的熱效率普遍高于80，用傳統(tǒng)爐灶明火燒開一壺水大約需要9min，而放到電磁爐上則只需2至3min，大大節(jié)省了能源。 安全電

14、磁爐在使用過程中既不會產(chǎn)生明火，爐面本身也不發(fā)熱，爐體內(nèi)設(shè)有高于250以上的高溫部件，不會發(fā)生灼傷事故。同時，電磁爐表面的耐熱板，要求放在它上面的金屬鍋具一定要有足夠的接觸面積才會產(chǎn)生熱能，如接觸面積過小，則不會發(fā)生電磁感應(yīng)，當然也就不可能發(fā)熱了。即使將汽油灑在爐面上也不會引起燃燒，絕不會導致火災事件，更不存在因泄漏煤氣而引發(fā)的種種事端。當把鍋具從爐面上拿下來時，電磁爐也會自動切斷電源?？梢哉f電磁爐是一種十分安全的灶具。保(衛(wèi)生、清潔)電磁爐被稱為具有時代前衛(wèi)氣息的綠色爐具。因為在鐵物質(zhì)利用磁場感應(yīng)加熱時，不會釋放任何物質(zhì)，無火、元煙、無味，也不升高室溫。而傳統(tǒng)的煤炭、石油氣、煤氣燃燒時因燃燒

15、空氣，以致室溫不斷上升，廚房油煙不斷增多，同時會釋放出一氧化碳、=氧化碳、二氧化硫等有害物。3.2 研究特色及意義如今，電磁學已得到長足的發(fā)展，對電磁學的研究仍舊十分火熱。這是因為對電磁的開發(fā)尚未走到盡頭。而由電生磁，由磁生電的科學研究就是要不斷推陳出新，開發(fā)新技術(shù)，為人的用，造福于民。電磁加熱技術(shù)不但在電磁爐這種日常生活用具上有明顯的用途。在科技前沿，塑膠機械行業(yè)，油田采油，節(jié)能等諸多行業(yè)都有廣泛的運用。了解電磁加熱機理及相關(guān)運用，有助于我們對電磁學知識的深入學習。可以處我們更深切的體會到電磁學的無窮魅力。4. 本研究課題的主要結(jié)論及展望。放入計算結(jié)果。并作結(jié)論及結(jié)論、為更好的對此類知識進行有效的學習，我們可發(fā)嘗試著以下簡單的電磁加熱演示實驗。演示電磁爐的原理：制作材料：O31 mln直徑的漆包線，8號鐵絲，少許清漆，小鐵盒制作方法：用O31 mm直徑的漆包線，繞制一個內(nèi)徑為5 Cl"n的線圈，共繞2 000匝把粗鐵絲截成和線圈一樣高的小段，給每段鐵絲的四周涂上清漆，插入線圈架的孔里，填滿為止演示：(1)把線圈豎立起來，用鐵盒盛上冷水放在線圈上，把線圈接在220 V的交流電源上，過幾分鐘，看到鐵盒里的水沸騰起來，但是線