高中物理中電磁學的實踐研究

摘 要：電磁學已成為物理學的一個重要分支，是研究電磁運動基本規律的學科。電磁學理論的發展不僅是電工學、無線電電子學、電子計算機技術及其他新科學、新技術發展的理論依據，而且也與人們的日常生活和生產技術有著十分密切的關系。

關鍵詞：電磁感應 電磁爐 電磁炮

電磁學從原來互相獨立的兩門學科——電學、磁學，發展成為物理學中一個完整的分支學科，主要是基于兩個重要的實驗發現，即1820年丹麥物理學家奧斯特發現的電流的磁效應和1831年英國物理學家法拉第發現的電磁感應現象。這兩個實驗現象，以及1865年英國物理學家麥克斯韋提出的感應電場和位移電流的的假說，奠定了電磁學的整個理論體系。[1]

如今，電磁學已成為物理學的一個重要分支，是研究電磁運動基本規律的學科。電磁學理論的發展不僅是電工學、無線電電子學、電子計算機技術及其他新科學、新技術發展的理論依據，而且也與人們的日常生活和生產技術有著十分密切的關系，下面舉例說明電磁學在生活中應用。

先來談談電磁爐。隨著生活水平的提升，人們對安全衛生的炊事用具逐漸接受，電磁爐也進入千家萬戶。[2]

電磁爐是現代廚房革命的產物，它無需明火或傳導式加熱而讓熱直接在鍋底產生，因此熱效率得到了極大的提高。電磁爐的功率一般在700～1800W之間，它的結構主要由外殼、高級耐熱晶化陶瓷板、PAN 電磁線盤、加熱電路板、控制電路板、顯示電路板、風扇組件及電源等組成。[3]

電磁爐是利用電磁感應加熱原理制成的電氣烹飪器具。使用時，加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產生交變磁場，交變磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產生大量渦流，從而產生烹飪所需的熱。

在電磁爐內部，由整流電路將50Hz的交流電壓變成直流電壓，再經過控制電路將直流電壓轉換成頻率為15～40kHz 的高頻電壓，高速變化的電流流過扁平空心螺旋狀的感應加熱線圈（勵磁線圈），線圈會產生高頻交變磁場。其磁感線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于不銹鋼鍋（導磁又導電材料）底部，在烹飪鍋體內因電磁感應就有強大的渦流產生。渦流克服鍋體的內阻流動時完成電能向熱能的轉換，鍋底迅速釋放出大量的熱量，就是烹調的熱源。

那么渦流又是如何產生的呢？在柱形鐵芯上繞有線圈，當線圈中通上交變電流時，每個鐵芯片就處在交變的磁場中。鐵芯可看成是由一系列半徑逐漸變化的柱狀薄殼組成，每層薄殼構成一個閉合回路。在交變的磁場中，通過這些薄殼的磁通量都在不斷地變化，所以沿著一層層的殼壁產生感應電流。從鐵芯的上端俯視，電流的流線呈閉合的旋渦狀，因而這種感應電流叫做渦電流，簡稱渦流。由于大塊鐵芯的電阻很小，因此渦流可非常大。強大的渦流在鐵芯內流動時，電能轉化為內能，從而釋放出大量的焦耳熱，而使鐵芯的溫度升高。

電磁爐工作過程中熱量由鍋底直接感應磁場產生渦流來產生的，因此應該選擇對磁敏感的鐵來作為炊具，由于鐵對磁場的吸收充分、屏蔽效果也非常好，這樣減少了很多的磁輻射，所以鐵鍋比其他任何材質的炊具也都更加安全。此外，鐵是對人體健康有益的物質，也是人體長期需要攝取的必要元素。

電磁爐具有升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環境不產生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優點，能完成家庭的絕大多數烹飪任務。因此，在電磁爐較普及的一些國家里，人們譽之為“烹飪之神”和“綠色爐具”。

再來說說電磁炮。電磁炮是利用電磁發射技術制成的一種先進的動能殺傷武器。自80年代初期以來，電磁炮在未來武器的發展計劃中，已成為越來越重要的部分。

傳統火炮提高炮彈初速只能通過增加發射藥量來實現，但火炮藥室尺寸的增大及炮管長度的加長均受限制，所以傳統火炮最大初速難以超越物理限度，而電磁炮則完全擺脫了這一瓶頸。與傳統的大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，可大大提高彈丸的速度和射程。[4]

電磁炮主要由能源、加速器、開關三部分組成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的裝置。目前實驗用的能源有蓄電池組、磁通壓縮裝置、單極發電機，其中單極發電機是近期內最有前途的能源。加速器是把電磁能量轉換成炮彈動能，使炮彈達到高速的裝置。主要有：使用低壓直流單極發電機供電的軌道炮加速器和離散或連續線圈結構的同軸同步加速器兩大類。開關是接通能源和加速器的裝置，能在幾毫秒之內把兆安級電流引進加速器中。

電磁炮的原理非常簡單。磁場對電流的作用力，可以使通電導體運動，把電能轉化成機械能。利用這一原理，科學家提出用磁場對電流的作用力發射炮彈。可以說，電磁炮是一種比較特殊的電動機，因為它的轉子不是旋轉的，而是作直線加速運動的炮彈。那么如何產生驅動炮彈的磁場，并讓電流經過炮彈，使它獲得前進的動力呢？一個最簡單的電磁炮設計如下：用兩根導體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會加速向前飛出。

軌道炮：軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發射出去。它由兩條平行的長直導軌組成，導軌間放置一質量較小的滑塊作為彈丸。當兩軌接入電源時，強大的電流從一導軌流入，經滑塊從另一導軌流回時，在兩導軌平面間產生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度射出，這就是軌道炮的發射原理。

參考文獻

[1]芶秉聰、胡海云主編.大學物理（下冊）[M].北京：國防工業出版社，2012.

[2]韓廣興.電磁爐原理使用與維修技術[M].北京：教育音響出版社，2007.

[3]孫運升.電磁爐維修基本技能[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

[4]黃瑩，趙佳.電磁炮的基本原理及在軍事上的應用[J].現代物理知識，2004，11.

作者簡介

孫少卿（1999.10）男，山東省臨沂第一中學學生