電與磁的生熱“魔法”

電與磁似一對形影不離的好兄弟，它們相伴相隨，互相影響。在它們的作用下，許多物理現象就此誕生。讓我們一起來看看，電與磁是如何交織生熱的吧！

或許你還記得，在2024年1月的《知識就是力量》雜志中，我們做過一個有關電磁感應現象的物理實驗：一個閉合線框與電流表串聯，當閉合線框切割蹄形磁鐵的磁感線時，電流表有示數，說明產生了感應電流。這是因為，在切割磁感線的過程中，穿過閉合電路（線框）的磁通量發生了變化。

同樣的道理，當閉合電路換成了金屬導體塊，金屬導體塊切割磁感線時，由于穿過金屬導體塊的磁通量發生了變化，其內部也會產生感應電流。這種感應電流較為特別，會在金屬導體塊內形成環路形狀，就像水的旋渦，因此稱為渦電流。

變化的磁場產生渦電流示意圖（繪圖/張玲）

電生磁原理示意圖（供圖/張春怡）

由于金屬導體塊有內阻，所以渦電流在金屬導體塊內流動時會產生大量的焦耳熱（電流通過導體時產生的熱量）。利用渦電流的熱效應進行加熱的方式被稱為電磁感應加熱，電磁感應加熱中產生的熱量與渦電流的大小、金屬導體材料有關。

作為一種感應電流，要想形成渦電流，就需要讓穿過金屬導體塊的磁通量發生變化。在實驗中，我們可以通過導體切割磁鐵的磁感線，實現磁通量的改變。但是，如果我們不想讓導體進行切割運動，是否可以制造一個能夠發生變化的磁場，從而引起磁通量的改變，進而形成渦電流呢？答案是肯定的。

那么，這個可以變化的磁場是如何產生的呢？這就用到了物理學中“電生磁”的原理，即通電導線周圍有磁場，改變電流的方向和大小，磁場的方向和大小也會相應發生改變。因此，可以使用通有不同頻率交變電流的線圈來產生變化的磁場。

也就是說，變化磁場的形成是“電生磁”的過程，渦電流的形成是“磁生電”的過程，焦耳熱的產生則是“電生熱”的過程。

電磁爐就是利用上述的電磁感應加熱原理來烹飪食物的。由于電磁感應加熱是金屬導體自身發熱的過程，屬于非接觸式加熱，具備損耗低、功率高、污染少等優點。

電磁爐通電后，其內部的電子線路系統會將城市電網中獲取的普通交流電進行一系列變換，最終獲得高頻交流電，高頻交流電再通過線圈盤形成變化的磁場。

電磁爐的結構

為了實現電磁感應加熱，面板上必須放置金屬材質的鍋具（相當于金屬導體塊），這樣，鍋具的鍋底就會在變化的磁場中產生渦電流而發熱，再通過傳導傳熱的方式加熱食物。

在電磁爐的使用過程中，鍋具發揮了金屬導體塊的作用，因此，電磁爐的加熱效率與制作鍋具的材料有關——鍋具的磁導率和電阻，影響著電磁爐的加熱效率。

電磁爐工作原理示意圖。電磁爐能將90%的電能通過鍋具產生的渦電流轉化為熱能（供圖/張春怡）

走進了千家萬戶的電磁爐，蘊含著如此豐富的科學道理。其實，還有許多物理現象就在你的身邊，等待著你用好奇心推開一扇扇科學之門，領略其中的風景。

（責任編輯 / 高琳? ?代竹蕊? 美術編輯 /周游）