电磁加热原理与应用

1、电磁学课程探究型学习主题论文电磁加热原理及其应用电磁炉石伟杰 王进 翁彬（西北工业大学理学院应用物理系 11051002班）摘要现在，使用电磁炉的人越来越多，其加热原理正是利用电磁感应原理，由电流产生磁场。并且我们知道，磁介质可大大改变磁场的分布及其大小。金属在在变化的磁场中，可产生感应电流。对于金属板，可在变化的磁场中产生涡流，进而生热，烹调食物。电磁炉已经是现代家庭烹饪食物的先进电子炊具它使用起来非常方便，可用来进行煮、炸、煎、蒸、炒等各种烹调操作特点是效率高、体积小、重量轻、噪音小、省电节能、不污染环境、安全卫生，烹饪时加热均匀。能较好地保持食物的色、香、昧和营养素，是实现厨房现代化不可

2、缺少的新型电子炊具对其工作原理进行深入的了解与学习有较为实际的利用价值。为此，我们决定对电磁炉的简单原理进行探究性学习。关键词：电磁感应，磁介质，质涡流1. 概论：电磁感应定律法拉弟发现，在相同条件下，不同金属导体回路中产生的感应电流的大小不同，其大小与导体的电阻成反比，因此他意识到感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的。最终这位伟大的科学家根据大量的实验结果，得出结论：导体回路中产生感应电动势的大小。与导体回路中的磁能量的变化率在成正比。 其数学表达式为：。由此可知，变化的磁场可产生感应电动势，如此，若回路闭合，必可产生感应电流，而我们知道，磁介质可改变磁场分布。利用相关知识制作出控制

3、系统。便可有效的利用磁能及涡流，使铁质器材在变化的磁场中产生强大的涡流，将电能再转化为热能，供人类使用。2. 主题内容的电磁学原理或物理原理电磁炉加热原理如下图所示：灶台台面是一块高强度、耐击的陶瓷玻璃平板(结晶玻璃)，台面下边装有高频感应加热线圈(即励磁线圈或诱导加热线圈)、高频电力转换装置及相应的控制系统，台面的上面放有平底铁质烹饪锅。电流电压经过整流器转换为直流电，又经高频电力转换装置使直流电变为超过音频的高频交流电，将高频交流电加在扁平空心螺旋状的感应加热线圈上，由此产生高频交变磁场。其磁力线穿透灶台的陶瓷台板而作用于金属锅。在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生。涡流克服锅体的内阻

4、流动时完成电能向热能的转换，所产生的焦耳热就是烹调的热源2.1 研究内容的理论基础电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能使器具本身自行高速发热，既然电磁炉的工作原理是利用涡流, 那么在电磁炉上放上铜锅、铝锅的话应该也会产生涡流; 但是实验并没观察到涡流产生的热量. 是不是因为铜锅、铝锅上产生的涡流特别小呢?但根据涡流的特点, 块状金属的电阻率越小, 则导体中的涡流应越大. 铜、铝的电阻率都比铁的电阻率小, 似乎铜锅、铝锅在电磁炉上产生的涡流应比

5、铁锅的大. 其实铜锅、铝锅放在打开的电磁炉上基本没有产生涡流. 这是因为涡流的大小除了与磁场的变化方式、金属电阻率有关外, 导体的磁导率起着关键作用. 按照磁介质的分类, 铜属于抗磁介质, 磁导率略小于1, 铝属于顺磁介质, 磁导率略大于1, 而铁属于铁磁质, 磁导率大概在2 000 到100 000 之间. 下面我们可以简单介绍一下其三者之间的差别：抗磁质、顺磁质的磁导率远小于铁磁质. 如图所示,抗磁介质在外界磁场B0 的作用下引起感应分子电流所形成的B与B0反向, 抗磁质的电子磁矩矢量和近乎零. 而顺磁质亦有此效应, 其影响相对较小, 顺磁质的电子磁矩矢量也是很小. 所以属于抗磁质、顺磁质

6、的铜、铝锅放在电磁炉上,锅上通过变化的磁感线甚弱. 因此电磁炉不能使用铜锅和铝锅.铁属于铁磁介质, 铁磁介质在外磁场B0 的作用下引起感应分子电流所形成的B 与B0 同向, 因此铁介质内的磁场B = B0+ B, 而B远远大于B0, 因此铁锅放在电磁炉上的合磁场强度远远大于电磁炉线圈产生的磁场强度, 铁锅就可以得到很大的涡流从而可以起到快速加热的要求.2.2 研究内容的其他物理学基础 电工电路知识(1) 交流输入电路：该电路由插件保险丝、消干扰电容，压敏电阻、电流互感器CT1等元器件组成。该电路的作用是将交流220V电压中的高频杂波干扰滤除后，一路经电流互感器的初级加到整流桥堆DB1的交流输入

7、端，由桥堆整流出300V左右的电压；另一路经二极管整流后为开关电源提供工作电压。(2) LC振荡电路：该电路由整流桥堆DB1、扼流线圈L1、滤波电容C14、高频谐振电容、功率管及加热线圈等元器件组成。该电路作是将300V电压转换成磁能形式并储存在加热线盘上与锅具产生涡流对锅具进行加热。 (3) 同步电路：该电路由集成电路IC2D及外围元器件组成。该电路的作用是从LC振荡电路中检测出同步信号控制驱动脉冲，使加到功率管控制极脉冲前沿与集电极峰值脉冲消失的保持同步，保证功率管不因同步失控而损坏。(4) 振荡电路：该电路由比较器、二极管、电阻、电容C32等元器件组成。该电路的作用是与同步电路检测出的方

8、波脉冲.进行比较产生锯齿波驱动脉冲电压控制功率管的导通与截止。(5) 驱动电路：该电路由比较器、三极管及外围元器件组成。该电路的作用是将振荡电路输出幅度较小的驱动电路加以整形放大到18V电压并加到功率管的控制极，使功率管良好地饱和导通。(6) 开关电源电路：该电路由集成电路及外围元器件组成。该电路作用是将220V电压整流稳压输出18V电压供风扇、驱动电路使用，输出5V电压供CPU及集成电路基准参考电压使用。 (7) 功率管过压保护电路：该电路由比较器及外围元器件组成。该电路的作用是电磁炉工作时时刻检测功率管集电极电压的变化，保证功率管不因峰值脉冲电压过高而损坏。(8) 检锅电路：该电路由比较器

9、及外围元器件组成。该电路的作用是从LC振荡电路中检测出检锅脉冲加到CPU上，由CPU判断电磁炉 是否放入合适的锅具。(9) 电流检测电路：该电路由电流互感器，电磁电容，电阻.及整流炉原二极管等元器件组成。该电路作用是电磁炉理与工作时时刻检测主回路电流的变化，并将此电流的常见变化转换成电压形式，一路加到过流保护电路控制故障PWM脉冲控制电压的大小；另一路加到CPU上，分析CPU根据电流检测电压的变化，输出相应的动作指令。(10) 过流保护电路：。该电路作用当电磁炉由于某种异常原因使主回路电流增大时经此保护电路，可导致功率管导通时间变短而截止时间变长，电磁炉输出功率下降，主回路电流减小，从而保证功

10、率管不因电流过大而损坏。(11) 电网电压保护电路：该电路由Q7及外围元器件组成。该电路的作用当交流输入电压大于260V或小于160V时，桥堆输出电压过高或过低，相应地在发射极输出检测电压会大于或小于正常值许多。CPU根据检测电压的变化，内部保护电路动作输出关机保护信息，使电磁炉不因电网电压过高或过低而损坏。 (12) 浪涌保护电路：该电路由比较器及外围元器件组成。该电路的作用是当电网中出现瞬间浪涌电压干扰时，能及时地使功率管不被浪涌电压击穿损坏。(13) PWM脉宽调制电路：该电路由电阻、电容等元器件组成。该电路作用是将CPU输出的不同占空比方波脉冲经平滑滤波积分后，变成相应的脉冲直流电压加

11、到振荡电路，控制功率管的导通时间。 (14) 锅具温度检测电路：该电路由锅具温度检测热敏电阻、电阻,电容等组成。该电路作用是热敏电阻通过陶瓷面板时刻检测锅具温度的变化，并将此温度的变化转换成电压形式加到CPU上，CPU根据此电压的变化间接地检测锅具温度的变化，输出相应的动作指令。(15) 功率管温度检测电路：该电路由功率管温度检测热敏电阻、电阻、电容等元器件组成。该电路的作用是热敏电阻通过功率管散热片,时刻检测功率管温度的变化，并将此温度的变化转换成电压形式加到CPU上，CPU根据此电压的变化间接地检测功率管温度的变化，并输出相应的动作指令。 (16) 风扇驱动电路：该电路的作用是通过CPU输

12、出驱动信号控制风扇转动，将电磁炉内部元器件工作时产生的热量排放到电磁炉外部，防止内部元器件因温度过高而损坏。 另外还涉及线圈的互感与自感现象的相关运用。2.3 研究内容用到的其他理论基础或工具(1)谐振电容，电路中电压和电流同相位的情况，与交流电的频率有关。(2)滤波电容：用在电源整流电路中，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。(3)扼流线圈：扼制瞬间电流过大，防止击穿开关电源和磁控管；在板上不起扼流作用而起阻流作用。(4)电流互感器：电流的变化转换成电压形式。(5)保险丝：保护电路作用。(6)IOBT：通过低电流信号、控制大电流的通断。(7)桥式整流块：将交流电源转换为直流电源。(8)热敏

13、电阻件：将热量信号传递到控制电路。(9)蜂鸣器：警报发出声响。(10)中央控制单元：操纵整机远程工作。(11)风器组件：散热辅助元件。3. 研究内容的研究现状、手段、特色与先进性3.1研究现状（包括先进性等）电磁炉特点 节能(热效率高)电磁炉的优势首先表现在它的热效率极高。电磁炉的应用电磁感应使铁物质的底部产生无数小涡流，大大提高了热效率。煤气炉及电饭锅的加热原理是先烧红器皿底部直接加热锅内食物，另有部分热耗用在燃烧空气，热效率在40一65之间，热能耗量大、煮食慢。而电磁炉的热效率普遍高于80，用传统炉灶明火烧开一壶水大约需要9min，而放到电磁炉上则只需2至3min，大大节省了能源。 安全电

14、磁炉在使用过程中既不会产生明火，炉面本身也不发热，炉体内设有高于250以上的高温部件，不会发生灼伤事故。同时，电磁炉表面的耐热板，要求放在它上面的金属锅具一定要有足够的接触面积才会产生热能，如接触面积过小，则不会发生电磁感应，当然也就不可能发热了。即使将汽油洒在炉面上也不会引起燃烧，绝不会导致火灾事件，更不存在因泄漏煤气而引发的种种事端。当把锅具从炉面上拿下来时，电磁炉也会自动切断电源。可以说电磁炉是一种十分安全的灶具。保(卫生、清洁)电磁炉被称为具有时代前卫气息的绿色炉具。因为在铁物质利用磁场感应加热时，不会释放任何物质，无火、元烟、无味，也不升高室温。而传统的煤炭、石油气、煤气燃烧时因燃烧

15、空气，以致室温不断上升，厨房油烟不断增多，同时会释放出一氧化碳、=氧化碳、二氧化硫等有害物。3.2 研究特色及意义如今，电磁学已得到长足的发展，对电磁学的研究仍旧十分火热。这是因为对电磁的开发尚未走到尽头。而由电生磁，由磁生电的科学研究就是要不断推陈出新，开发新技术，为人的用，造福于民。电磁加热技术不但在电磁炉这种日常生活用具上有明显的用途。在科技前沿，塑胶机械行业，油田采油，节能等诸多行业都有广泛的运用。了解电磁加热机理及相关运用，有助于我们对电磁学知识的深入学习。可以处我们更深切的体会到电磁学的无穷魅力。4. 本研究课题的主要结论及展望。放入计算结果。并作结论及结论、为更好的对此类知识进行有效的学习，我们可发尝试着以下简单的电磁加热演示实验。演示电磁炉的原理：制作材料：O31 mln直径的漆包线，8号铁丝，少许清漆，小铁盒制作方法：用O31 mm直径的漆包线，绕制一个内径为5 Cl"n的线圈，共绕2 000匝把粗铁丝截成和线圈一样高的小段，给每段铁丝的四周涂上清漆，插入线圈架的孔里，填满为止演示：(1)把线圈竖立起来，用铁盒盛上冷水放在线圈上，把线圈接在220 V的交流电源上，过几分钟，看到铁盒里的水沸腾起来，但是线