科学瞎想系列之四十一 感​应加热

在宝宝们的日常生活和生产活动中，许多场合需要加热，例如:宝宝们烧饭需要加热、热装配需要加热、热处理需要加热、焊接需要加热等等。加热的方法很多，感应加热就是其中的一种，它是利用电磁感应的原理进行加热的。与其它加热方式相比其热效率高，加热均匀迅速，没有明火，安全可靠，因此被广泛应用。常见的感应加热装置有电磁炉、轴承感应加热器、感应炉、感应焊机等。感应加热设备虽然比较常见，但许多宝宝们对它的原理、特点、使用又感到很陌生，甚至还对它产生了许多误解，认为它会产生电磁辐射，对宝宝们的身体健康、手机、手表等造成危害，今天老师就给宝宝们科普一下这方面的知识。

1 先说一下感应加热原理。感应加热器其实就是一个感应线圈，有的感应加热器该线圈是绕在铁芯上，如:用于轴承加热的工频感应加热器。有的没有绕在铁心上，只是一个空心线圈，如:许多中高频感应加热器和感应焊机等。通常工频感应加热器的线圈都是有铁心的，中高频感应加热器铁心可有可无。工频加热器一般用来加热环状金属物体，中高频加热器通常用来加热形状不太规则或其结构形状不容易套到铁心柱上的物体。当被加热的物体套到感应线圈同一个铁心上时，或空心感应线圈靠近被加热体时，就与被加热体共同组成了一个变压器，被加热体可以看作一个单匝短路的变压器副边线圈，当原边通入交流电流时，副边就会感应出短路涡流，该涡流通过金属被加热体本身的电阻就会产生热量，从而达到加热目的。由于感应加热所需的热量来自被加热体自身涡流，与其它通过热源热传递的加热方式相比，感应加热具有加热均匀、快速、高效、安全等特点。

2 感应加热的适用场合。一般来说，具有一定导电性能的材料都可以采用感应加热方式。特别是环形的金属物体（如轴承），更容易实现，只需价格低廉的工频感应加热器即可搞定。说到这儿老师有一个提问，轴承通常是钢质的，不仅导电，也导磁，他可以用感应加热，那么只导电不导磁的环形物体（如铝环、铜环）能否用感应加热呢？答案是肯定的，因为当环状物体套入铁心后，穿过它的交变磁通是在铁心柱中，感应的涡流是沿环形流通，因此只需被加热体导电即可，无需导磁。再给宝宝们留一个思考题，我们知道一般电机的铁心为了减小涡流，通常采用很薄的硅钢片叠压而成，那么这种环形的电机铁心能否采用感应加热呢？为什么？如果能用，那么叠片厚度是否影响加热效果？请宝宝们课后思考！

3 频率对加热效果的影响。学过电机学的宝宝们都知道，变压器原边的电流分为两部分，一部分是用来产生磁通的所谓励磁分量，另一部分是用来平衡副边磁势的所谓负载分量。我们在中学物理里学的变压器原副边电流之比与相应匝数成反比其实是不严谨的，严格地说，应该是原边电流的负载分量与副边电流之比与原副边匝数成反比。由于变压器铁心的磁导率很高，只需很小的励磁电流就可以产生较强的磁通，所以原边电流的励磁分量很小，以至于可以忽略不计，这样原边电流就近似地认为与负载分量相等，且与副边电流之比反比于匝数比。对感应加热器来说，感应线圈就相当于变压器的原边，其负载分量大小决定了被加热体中涡流的大小，而涡流大小又决定了加热的功率，也就是说，感应线圈中电流的一部分（负载分量）决定了加热效果，而另一部分（励磁分量）只起到了励磁作用，不直接作用于加热体的加热，当然励磁分量也是不可或缺的，因为没有磁场也就无所谓电磁感应了！因此，要想在同样的原边电流情况下产生最佳的加热效果，就必须尽量减小励磁分量，增大负载分量，如何才能做到减小励磁分量增加负载分量呢？提高频率就是一个非常有效的方法。因为副边的涡流等于副边的感应电势除以副边电阻，要产生同样大的涡流就需要同样大的感应电势，根据那个著名的4.44公式，电势相同时，频率越高磁通就越小，磁通越小需要的励磁电流就会越小，因此也就减小了励磁分量，如果原边电流一定，励磁分量减小，负载分量必然增大，加热功率就会增大。必须指出的是，当励磁分量所占比例很大时，提高频率对提高加热功率效果显著，当频率高到一定程度，励磁分量已占比很小，再提高频率效果就不会显著了。最极限的情况是，励磁分量趋于0，所有原边电流均被副边涡流所平衡，也就是说，副边最大的涡流也就等于感应线圈的电流乘以其匝数。对于环状被加热体由于可以与感应线圈套在同一个铁心上，两线圈通过铁心进行耦合，而铁的磁导率很高，所以只需要很小的励磁电流就可以产生很强的磁通。这样励磁分量本身就占比很小，因此使用工频电源即可满足加热要求。对于没有铁心的空心感应线圈，由于原副边没有通过铁心耦合，而是通过空气耦合，而空气的导磁性能那是相当的差，产生同样的磁通需要很大的励磁电流，因此空心感应线圈必须采用中高频电源供电，以减小所需磁通，减小励磁电流。如感应退火炉、感应焊机等设备就采用了中高频为感应线圈供电。另外需要说明的是，由于频率的提高，有个集肤效应的问题，即频率越高涡流越接近被加热体表面，使得表面温度迅速提高，而内部升温会比较缓慢，因此可以通过调节适当的频率控制表面热处理的深度，如对齿轮表面硬化处理。

4 最后给宝宝们说说电磁炉。电磁炉是一种典型的感应加热厨房设备，电磁炉的炉面下面是一个像电炉子一样盘子，由导磁材料制成，构成铁心，上面开有环形沟槽，里面嵌放有感应线圈。当线圈里通有高频电流时就会产生高频磁场，如果炉台上放置配套的铁锅，就会在铁锅内产生涡流，使锅升温。需要给宝宝们说明的有几点:

4.1 电磁炉是有电磁辐射的，别一提电磁辐射毛就乍，电磁炉的辐射频率大概在20~30kHz，频率是很低的，属于非电离辐射，也就是说它的辐射不会直接对宝宝们的身体细胞造成严重的电离伤害，但也不能掉以轻心，不合格的电磁炉或使用不当时，其辐射的总功率还是比较大的，毕竟我们的身体也是一个与生物电密切相关的有机体，许多信号传输、生理功能调控都是靠微弱的生物电来实现，关于电磁炉辐射的影响和危害即是一个物理学问题也是一个生物学、医学问题，老师不懂生物和医学，不敢凭瞎想胡说，但电磁炉的电磁辐射是有国家标准时的，只要符合国家标准，正确使用电磁炉，对宝宝们的身体就应该是安全的。电磁辐射除了与其本身品质有关，还与使用密切相关，接下来就给宝宝们说些使用注意事项。

4.2 一定要使用电磁炉配套的锅，因为那个铁锅也是构成电磁感应的重要组成部分，它即是磁路的一部分也是电路的一部分，它的导磁性能和导电性能直接与加热效果及电磁炉运行性能有关，厂家在设计电磁炉时已经针对配套的锅灶进行了优化设计，如果使用其它锅具，轻则影响加热效果，重则导致电磁炉辐射超标。

4.3 锅要放在电磁炉台面的对正位置，不要放得过偏，也就是说锅底应该要覆盖下面的感应线圈，这样不仅能保证加热效果，也可防止未被覆盖线圈的电磁辐射。

4.4 在电磁炉上炒菜时，不要像在煤气炉上那样把炒瓢拎起来翻炒，尽量用铲子来翻炒搅拌，因为当锅和灶在一起时对外的辐射是最低的，当锅离开灶台时，辐射泄漏会立即变大，虽然现在电磁炉具有自动检测有锅无锅的功能，无锅时自动断电，但你短时拎起来翻炒，炉子是反应不过来的，必然导致辐射增大。同理，不用时应先关闭开关再把锅拿离灶台。

4.5 最好不要把手机、手表之类的东东放在炉台上，这可能会把你的宝贝损坏。特别是用电磁炉涮火锅时经常会犯这种错误。

好了，关于感应加热的话题就说到这儿，下课。