高中物理人教大纲版第二册：16.7 涡流（备课资料）.docVIP

●备课资料 1.利用涡流加热和熔炼金属 交变电流的磁场在金属内感应的涡流能产生热效应.这种加热方法与用燃料加热相比有很多优点,除课本所述外还有:加热效率高,达到50%~90%;加热速度快;用不同频率的交变电流可得到不同的加热深度,这是因为涡流在金属内不是均匀分布的,越靠近金属表面层电流越强,频率越高这种现象越显著,称为“趋肤效应”. 工业上把感应加热依频率分为四种:工频(50 Hz);中频(0.5~8 kHz);超音频(20~60 Hz);高频(60~600 kHz).工频交变电流直接由配电变压器提供;中频交变电流由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生;超音频和高频交变电流由大功率电子管振荡器产生. 课本图16—41画的是无心式感应熔炉,用途是熔炼铸铁、钢、合金钢和铜、铝等有色金属.所用交变电流的频率要随坩锅能容纳的金属质量多少来选择,以取得最好的效果.例如: 5 kg的用20 kHz,100 kg的用2.5 kHz,5 t的用1 kHz乃至50 kHz. 感应加热法也广泛用于钢件的热处理,如淬火、回火、表面渗碳等.例如齿轮、轴等只需要将表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高频交流的空心线圈中，表面层在几秒钟内就可上升到淬火需要的高温，颜色通红，而其内部温度升高很少.然后用水或其他淬火剂迅速冷却就可以了.其他的热处理工艺可根据需要的加热深度选用中频或工频等. 2.涡流与节能炊具电磁灶 我们知道，把块状的金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，块状金属内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的旋涡，叫涡电流，简称涡流.由于金属电阻小，所以涡流很强，（如图1所示）当交流电通过导线时，铁芯中就产生很强的涡流，这种强电流使铁芯发热，浪费电能.为了减少损失，电机、变压器等通常用具有绝缘层的薄硅钢片叠压制成铁芯，使回路电阻增大，减少涡流. 在各种电机、变压器中，涡流是有害的，我们要采取各种办法来减弱它，其实涡流也是可以利用的，工业上的高频感应炉就是利用涡流来熔化、冶炼金属的.这种冶炼方法速度快，温度容易控制，而且污染少，适应冶炼特种合金和特种钢. 涡流也可以应用于生活.本文将要介绍的电磁灶就是涡流在生活中的应用. 电磁灶首先把50 Hz的交流电通过桥式整流装置改换成直流电，然后通过逆变器，转换成15~50 kHz的高频电流，此高频电流通过扁平螺旋形加热线圈（螺旋中心有圆环形磁芯）产生高频交变磁场，这个磁场的磁感线穿过非金属灶台面板进入烹饪铁锅底内，由于电磁感应产生电场，形成强大的涡流电流，发出大量的焦耳热，达到对食物加热的目的. 图1 图2 图2是电磁灶的内部电路.图中C1为滤波电容，L1为扼流圈，D1和D2为半导体高速二极管，L2和C2为高频转换电感和电容，C2为调谐电容器，L3为加热线圈，D1D2和L2C2组成逆变器，通过计算可知，加在D1上的直流电流通过逆变器后在C2上产生交流电压，其频率为： f=1/2π，如果改变L2和C2的值可获得不同频率的交变电压，一般f在15 kHz~ 50 kHz之间. 从图3可知，C2两端的电压加到L3C3（L3有电阻R3）的串联电路上，改变C3，使R3L3C3串联电路振动频率f与C2的频率f相等，这样在L3中的电流振幅最大，L3中交变电流在铁锅底中的的振幅也最大，产生的涡流最强，电磁灶的热功率最大. 下面谈谈电磁灶给锅加热的情况，如图4为放在加热图上的锅底剖面图，B是加热圈中电流产生的磁场，这个磁场从圆心沿径向分布.其磁感线分布形状如图5所示的伞形.B的变化激起锅底内部产生涡流.根据右手定则可知，涡流方向如图5所示，形成一些同心圆. 图3 图4 图5 通过计算发现，锅底产生的热功率与交流电的频率平方成正比，与励磁线圈（加热线圈）的安匝数的平方成正比，所以电磁灶一般采用高频励磁.用16~20股直径为0.5 mm的铜丝绞合制成扁平螺旋线圈，以增加安匝数.铁的磁导率大，电阻也比铜、铝大些，在相同的频率和匝数下，产生的热功率比铜、铝大，所以一般采用铁锅，不用铜锅、铝锅.从图4可以看出涡流主要分布在锅底的表面，故锅底在保持机械强度的条件下可以做得很薄，同时为了减少空隙磁阻，锅底做成平底. 电磁灶加热温度在50~200 ℃范围内，功率在300~1200 W之间，电磁灶是通过锅底涡流发热，不存在热量在传递过程中的损耗，故热效率高达83%（普通电炉的热效率为52%），电磁灶的耗电量只有电炉的63%. 电磁灶是美国西屋电器公司于1971年最先研制成功的，以后经过日本厂商的努力，到