家用電磁爐在物理演示實驗中的巧用

肖 永

(宿遷高等師范學校,江蘇 宿遷 223800)

·實驗研究·

家用電磁爐在物理演示實驗中的巧用

肖 永

(宿遷高等師范學校,江蘇 宿遷 223800)

物理學是一門以實驗為基礎的科學,在物理教學中利用日常用品做物理演示實驗,不僅能體現“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,而且可以增進學生對物理學科的親近感,提高學生的參與程度,提升學生學習物理的興趣和探究能力.本文用常見的電磁爐演示電磁感應現象,讓物理真正走進學生的生活,讓他們感受物理就在自己的身邊.

電磁爐;演示實驗;電磁感應

電磁爐是家庭必備廚具,是利用電磁感應原理制成的高效節能烹飪器具.電磁爐是由高頻感應線圈(勵磁線圈)、高頻電流轉換電路、控制電路及鐵磁性鍋底炊具組成,其工作原理是:先將220V、50Hz的交流電經過整流電路轉換為310V直流電,再經過LC振蕩電路轉換為15kHz～30kHz的高頻交流電,高頻交流電通過電磁爐陶瓷板下方的扁平螺旋狀的環形線圈形成高頻交流磁場,該磁場的磁感應線穿透上方的陶瓷平板后,若作用于平底鐵質鍋具,會產生渦流,高速發熱，以達到加熱食品的目的.

根據電磁感應定律，高頻交變電流的磁場若作用于線圈，便能在線圈中產生電動勢,將其電壓輸出，能達到向外供電的目的.若作用于輕質銅環、鋁環，便能在其中產生渦流,對外顯示渦流的力效應.筆者利用電磁爐勵磁線圈能提供交變磁場的功能,開發了電磁感應實驗,不僅解決了現有器材難于滿足教學要求的問題,而且能有效地提高教學質量、培養學生的核心素養及創新意識.

我們在生活中使用的電磁爐具有多重保護功能,比如有過壓保護、過流保護、防干燒保護、鍋具檢測保護等.如果在電磁爐上不放鍋具,電磁爐就不能正常工作,并發出無鍋具報警，我們的實驗就無法進行.為了能讓實驗得以順利進行,筆者在實驗中用了一塊12×15厘米的鐵板來代替鍋具,這樣就可以“欺騙”電磁爐,讓它能夠檢測到鍋具,從而不讓其鍋具檢測保護電路工作，讓實驗得以進行,電磁爐就成了我們高頻交變磁場的實驗平臺.

實驗材料:電磁爐，LED燈泡，40W白熾燈泡，40W日光燈管，易拉罐，鐵板，J2423型可拆變壓器，楞次定律演示器.

實驗一:用電磁爐點亮LED、白熾燈泡、日光燈管

圖1

(1) 如圖1所示，首先將LED與1-2匝線圈連接,將其放置到電磁爐的臺面上,并將鐵板放在中間,開啟電磁爐,可以看到鐵板在被加熱的同時,LED發光.實驗告訴我們電磁爐產生的高頻交變磁場穿過了閉合的含LED電路,使穿過閉合電路的磁通量發生了變化,因此產生了感應電動勢，驅動LED發光.

(2) 如果將LED換成40W白熾燈泡,并換用可拆變壓器的副線圈(400-500匝),兩者串聯起來形成閉合回路.重復以上實驗,可以看到白熾燈泡完全可以被點亮.實驗時如果將一根鋁制管材插到線圈中,可以觀察到LED或白熾燈泡將會有所變暗,這說明鋁制材料是非鐵磁性材料.如果實驗時在電磁爐臺面與線圈之間放置一塊薄的金屬鋁板,我們會發現LED或白熾燈泡將完全熄滅,這說明鋁制金屬板對電磁場有一定的屏蔽作用.

(3) 我們還可以將上面實驗中的40W燈泡換成平時我們常用的日光燈管,接到可拆變壓器的原線圈(1500匝)上,開啟電磁爐同樣可以看到日光燈管被點亮,說明電磁爐工作時產生的交變磁場在線圈中產生了很高的交流電壓，驅動日光燈管發光.

實驗二:用電磁爐驗證楞次定律

圖2

實驗裝置如圖2所示,首先將鐵板放置在電磁爐的灶臺面板上的一側,再將演示變壓器中的鐵芯放置在另外一側,并將條形鐵芯放置在U形鐵芯的一個立柱上面.楞次定律演示器中有一個閉合環,將這個閉合環靠近鐵芯,此時給電磁爐通電并啟動電磁爐,可以看到通電后閉合的圓環被鐵芯排斥，從而發生偏轉,這是因為電磁爐工作時產生的高頻交變磁場通過鐵芯的引導穿過了圓環,根據楞次定律，閉合環產生的感應電流會阻礙磁通量的變化，從而產生排斥.如果換上開口環而不是閉合環,那么就看不到相互排斥的現象，因為此時開口環中沒有電流.

實驗三:用電磁爐演示渦流的力效應

圖3

實驗裝置如圖3所示,將鐵板放置在電磁爐灶臺上一側,再將另一側放置一只鋁質空易拉罐,然后開啟電磁爐,可以看到易拉罐會轉動并快速離開電磁爐灶臺而滾落到地面.這是因為電磁爐產生的高頻交變磁場在鋁質易拉罐中產生了渦流,由于高頻交變磁場對渦流又有力的作用，從而使易拉罐受力而滾落.

本實驗中還可以在易拉罐兩側，對稱地各鉆一個小孔,用細鋼絲穿過兩孔,以此為軸讓易拉罐自由轉動,開啟電磁爐后,用手拿著鋼絲的兩端將易拉罐的一部分(不是全部)靠近電磁爐臺面,這時易拉罐會旋轉起來,而且放在不同地方時轉速不同.這是因為易拉罐的一部分放置在電磁爐臺面上,鐵板減弱了電磁爐所產生的高頻交變磁場,易拉罐這一部分中渦流較弱,力矩較小,而沒有被遮擋的部分渦電流較強,力矩較大，易拉罐在力矩作用下發生轉動.

實驗四:用電磁爐演示渦流的熱效應

圖4

由于塊狀金屬內的感應電流,金屬盤內的感應電流我們看不見摸不著,可以通過電流的熱效應(即電流通過電阻時會發熱)把感應電流呈現出來.將鐵板放置在電磁爐的臺面上并在鐵板上放置2-3根火柴,啟動電磁爐,1分鐘后可以看到火柴被點燃.還可讓插有火柴的金屬盤靠近工作中的勵磁線圈,火柴會被點燃.這說明金屬盤發熱了,支持了金屬盤內會產生感應電流這一觀點.

變化的磁場穿過塊狀金屬導體時,導體內就會產生感應電流,這種電流叫作渦流.通過前面實驗得知：導體中有渦流時會發熱,說明渦流像其他電流一樣也具有熱效應.渦流的熱效應在生活、生產中有重要的應用,如電磁爐、真空冶煉爐都是利用渦流的熱效應來工作的.

物理是一門來源于生活而高于生活的科學,利用身邊的日常生活用品去做實驗,這對學生來說感到格外親切,可以拉近科學與生活的距離,讓學生深切地感受到科學的真實性,正確認識科學和社會、生活的關系.

[1] 盧洲.電磁爐的簡易教學演示[J].物理教學,2008,(4).

[2] 丁駿.電磁爐使用中的幾個物理問題[J].物理教學探討,2007,(3).