關于《物理3-2》渦流學習的疑問

汪禮楊

摘要：“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，許多與生活、生產相關的科技問題紛紛進入教材，在給中學物理帶來新的面貌的同時，也使廣大物理教師面臨新挑戰。電磁爐作為一種高效節能的灶具逐漸為人們所喜愛。它利用了電磁感應渦流加熱原理。經常有同學質疑，為什么電磁爐只能用鐵鍋，而不能用鋁、銅等金屬呢？是不是鋁、銅不能形成渦流？

關鍵詞：電磁爐；渦流；磁導率；磁介質

在新課程人教版《物理3—2》第四章電磁感應章有渦流的內容。在介紹渦流的應用中很多老師就將電磁爐作為例子介紹。接觸過電磁爐的學生就可能提出，電磁爐的鍋具為什么不能是銅鍋或鋁鍋？這一問可能難倒一些老師，即使老師不介紹，學生不問，老師也很有可能在課后材料或學生練習中遇到。筆者和很多物理老師一樣，對此問題產生很大困惑。經過了長時間思考，查閱了很多資料，也咨詢了一些專家，此問題才得以解決。

讓我們先來看看電磁爐的工作原理。

當閉合回路中磁通量發生變化時，根據電磁感應及愣次定律，導線中將產生電流。當線圈中的電流隨時間變化時，由于電磁感應，附近的另一個線圈中會產生感應電流。實際上，這個線圈附近的任何導體中都會產生感應電流。塊狀金屬置于隨時間變化的磁場中時，金屬內的電子在感應電場力的作用下會產生感應電流，這樣的電流看起來就像水中的旋渦，稱為渦電流簡稱渦流。當線圈中通有變化的電流，線圈周圍就產生變化的磁場，金屬內部等效為無數個閉合回路，變化的磁場在回路中產生渦流。

渦流像其它電流一樣，金屬塊中的渦流也要產生焦耳熱，即渦流的熱效應。利用渦流的熱效應進行加熱的方式稱為感應加熱。電磁爐作為一種新型環保節能灶具，就是采用渦流熱效應的原理來加熱的。如圖所示，繞圈中通入交變的電流，通過爐內電子線路板組成部分便會產生交變的磁場。當用鍋具底部放置爐面時，其磁通量發生變化，鍋具即切割交變磁感線而在鍋具底部產生渦流使鍋具發熱，用來烹飪食物。既然電磁爐的工作原理是利用渦流，銅鍋、鋁鍋是金屬的，那么在電磁爐上放上銅鍋、鋁鍋的話應該也會產生渦流；但是實際實驗當中我們并沒有發現到渦流產生的熱量。是我們的理論出現問題了嗎，還是我們的認識不夠深入？是不是因為銅鍋、鋁鍋上產生的渦流特別小呢？但根據渦流的特點，金屬塊的電阻率越小，則導體中的渦流應越大，產生的熱量越多。銅、鋁的電阻率都比鐵小，似乎銅鍋、鋁鍋在電磁爐上產生的渦流應比鐵鍋的大，產生的熱量應該更多。

事實上銅鍋、鋁鍋放在打開的電磁爐上基本上沒有產生渦流。這是因為渦流的大小除了與磁場的變化方式、金屬電阻率有關外，還有導體的磁導率起著關鍵作用。

在磁場的作用下能發生變化并能反過來影響磁場的介質吸叫做磁介質。磁介質在磁場作用下的變化叫做磁化。事實上，任何介質在磁場作用下都或多或少地發生變化并過來影響磁場，因此任何介質都可以看作磁介質。

實驗和理論研究表明，磁介質按其磁特性分為三類：（1）順磁質；（2）抗磁質；（3）鐵磁質。當磁介質進入磁場，受磁場感應，也會產生一個小磁場。如果小磁場和原磁場同方向，就會加強（加強較?。┰艌?，這種磁介質就是順磁質。有外磁場時，抗磁質分子受磁場作用生成感應磁矩，且磁矩方向和外磁場方向相反，于是就在磁介質內部產生與外磁場方向相反的附加磁場，從而使總磁場減弱，這種磁介質就是抗磁質。某些物質，在受到外磁場磁化時，顯出比順磁性強得多的磁性，而且在去掉磁場后還保留磁性，這種磁介質就是鐵磁質。

順磁質、抗磁質的磁特性與鐵磁質有很大不同，可合稱為非鐵磁質。磁導率μ是描述磁介質性質的宏觀標量。μ0為真空的磁導率，某種磁介質的磁導率μ與真空磁導率μ0的比值叫做磁介質的相對磁導率（μr）。按照磁介質的分類，鋁屬于順磁介質，磁導率略大于1，銅屬于抗磁介質，其相對磁導率略小于1，而鐵屬于鐵磁質，磁導率大概在2000到100000之間。抗磁質、順磁質的磁導率遠小于鐵磁質。

抗磁介質在外界磁場B0的作用下引起感應分子電流所形成的B'與B0反向，抗磁質的電子磁矩矢量和近乎零。而順磁質亦有此效應，其影響相對較小，順磁質的電子磁矩矢量也是很小。所以屬于抗磁質、順磁質的銅、鋁鍋放在電磁爐上，在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，鐵磁介質在外磁場B0的作用下引起感應分子電流所形成的B'與B0同向，因此鐵介質內的磁場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。

科學不等于技術，基本物理原理不等于原理在技術領域的應用。一項技術成果往往會涉及原理、結構、材料、工藝等多方面的問題。關于電磁爐，大家也有多種不同的解釋，對這類問題我們希望大家不要停留在想象、猜測上，也不要單憑網上檢索；應當具體地研究，包括對電器解剖、科學實驗和向專家咨詢等，以便得到較全面正確的答案。

參考文獻

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