2电磁感应的应用

XX论文题目：电磁感应的应用学院：物理XXXX学院班级：XXXXXXXX姓名：XXXXXXX 指导教师：XXXXXX职称： XX完成日期： XXXX 年 X 月 X 日电磁感应的应用摘要：电磁学已成为物理学的一个重要分支，是研究电磁运动基本规律的学科。电磁学理论的发展不仅是电工学、无线电电子学、电子计算机技术及其 他新科学、新技术发展的理论依据，而且也与人们的日常生活和生产技术有着 十分密切的关系。电磁学的发展对现代文明生活电器和电 子技术有较大的影响。 随着社会科技的不断发展，如今，电磁学的理论发展与人们的日常生活和生产技术 有着极为广泛的应用。关键词：电磁感应感应加热电磁炉引言11.电磁感应21.1电磁感应的介绍21.1.1法拉第电磁感应的实验21.2电磁感应的加热方式41.2.1电介质加热41.2.2感应加热42.1电磁炉的简介52.1.1电磁炉的结构52.2电磁炉的原理62.2.2电磁炉的工作原理72.3电磁炉的特点 92.3.1电磁炉感应自动断电设计102. 4电磁炉的发展及缺点 14参考文献：15引言在历史上，人们早就接触了静电磁电流等现象，总结出一些实验结果。但 是在当时人们由于知识和实践的局限性，没有发现电学和磁学之间的密切的联系。因 此，长期以来，人们以为电学和磁学是两门互相独立的学科。继丹麦物理学家奥斯特 1820年发现了电流的磁效应后，英国物理学家法拉第花了 10年的时间，深入研究电 场和磁场的行为。他提出的电场和磁场的观点都是电力和磁力通过场起作用的。电磁 学是物理学的重要组成部分，电磁学的核心内容是电场与磁场的以及它们之间的关系 和相互转换，本文运用电磁感应的知识在实际生活中的应用，离开了电和磁，我们的 生活无法想象的。1电磁感应11电磁感应的介绍法拉第进行了长达十年的实验研究得出电磁感应的结果，法拉第电磁感应的出 现是电磁学最重大的发现。当一个穿过线圈组成闭合电路的磁通量不论由于什么原因随时间改变时，线圈 中都会出现电流，这个现象叫做电磁感应。线圈中磁通量的变化有两种方式，第一，磁通量的变化如果是导体在磁场中运 动引起时，产生的感应电动势和感应电流是由导体中的电子受到了洛伦磁力。第二， 磁通量不是由于相对运动而产生的，而磁场本身的变化引起时，通过麦克斯韦的电磁 场理论，磁场中将会产生涡旋的电场，回路中的感应电流和感应电动势由导体中的自 由电子在涡旋电场中受到了一个作用力。电磁感应的发现，完善了电场与磁场之间的 对称性，我们知道电荷的运动形成电流，同时会有磁场的存在，在恒定的磁场中，外 来运动的电荷受到磁场的作用力，在变化的磁场中存在电场，这种电场就是感应电场. 人们知道了电流能够产生磁场，变化的磁场也一定会有电流产生。在变化的磁场中存 在的电场，它存在于导体中也存在于空间中，当它存在于闭合的导线中时，将会引起 感应电流。电磁感应是一个划时代的伟大发明，它深刻的改变了人们的生活方式和质量。电 磁感应最重要的应用就是制造了现代科技及日常生活中有广泛的用途。电磁感应是电 动机、变压器和许多电力设备发展操作的基础，从而开辟了电气化的时代。111法拉第电磁感应的实验法拉第在如图(1)所示的环形铁上缠绕二组线圈A和B,其中，线圈A中的电 流在环内产生磁场，法拉第考察了在磁场的作用下在线圈B内是否产生电流。起初，保持线圈内的电流强度恒定，在另一个线圈内没有产生电流，几个线圈也没有 产生电流。但打开第一个线圈A开关的瞬间，和切断开关的瞬间，在线圈B中观测了 电流。法拉第发现以下情况，在线圈B中产生电流。a：线圈A中的电流强度发生变化时b：线圈A中流有恒定的电流，当线圈B移动时c：取代线圈A，在附近放置一个磁铁，当磁铁移动时其结果是，当第一个回 路内的电流在第二个回路附近产生的磁场随时间的变化时，线圈移动时，以及磁铁移 近或远离回路时，显示出在第二回路内产生有使电流流动的力。这是因为产生了感应 电动势。在这个闭合线圈回路中一定会存在电动势，这个电动势是由电磁感应引起的， 感应电动势等于穿过线圈的磁通量相对时间变化率空。其方向是在回路中产生的电 dt流所激发的磁场阻止磁通量随时间的变化，其电磁感应的数学式：二-。维持闭 dt合回路里的电流，使导体内必须有电场的存在，我们可以用感应电场强度来定义感应 电动势；dl ； ( c为感应电流方向)感应电流的总磁通量为；二V (cc是以线圈为周界的面积)，由 =Je dl可以表示为cJedl = d Jb-dsdt s (ds的方向由围线c来确定)。电磁感应定义为;Je-dlJobdt-ds【1】导体线圈在磁场中产生的电动势一般分为两种情况的讨论：(1) 在任意的形状的导体线圈上，不管是闭合的还是不闭合的，当它处在磁场中运 动时，此时产生的电动势为：(vxB)-dl 这个电动势只产生于磁场中运动的导l体上。(2) 导体线圈在变化的磁场中时。电动势的定义：旋左旋dl由法拉第电磁感应定律:p dCd dSdtdt61S涡旋电场中的电动势为; J E dl JJ 週 dS在变化的磁场中产生的电动势。L旋s 61根据场论定理：Jedl = J(V x E) ds ,J!( xE) ds = -JJ 匹 dsdtlsss6BJJ (VxE+ ) ds 0 6tsVxE + 学-06t表示变化的磁场在空间激发了涡旋电场。12电磁感应的加热方式1.2.1电介质加热对不导电的材料用频率较高的电压加热，高频率的电压加在两极层板之间，两 极层板之间产生了交变的电场，加热的介质就处在交变的电场中，介质中的离子或极 分子在电场中做运动，从而产生了热量，如生活中应用的微波炉。原理如图（2）高频电压电介质加热示意图（2）1.2.2感应加热当高频的电流通过电子线路板时会有交变的磁场的产生，变化的磁场在周围激发 变化的涡旋电场，在交变的磁场中放有金属导体，金属导体中的带电粒子在涡旋电场 运动形成电流。在这个电场中也会有电动势的产生，电动势便驱动电流运动，从而金 属内产生大量的焦耳热，而不是把热量从金属外部引进去的，这就是电磁感应加热的 原理制成了生活中的电磁炉。如图（3）：感应电熬感应加热示意图（3）2.1电磁炉的简介电磁炉又称电磁灶，英文名为（Induetion cooker）,是在1957年德国诞生的。 直至20世纪80年代初成为技术成熟的家电产品，是完全区别于传统的灶具的，一种 新型的加热炉具，它的出现标志着传统的灶具发生了革命性的变化。211电磁炉的结构电磁炉的主要结构：由灶台、上盖、底盖、炉盘线圈、热敏电阻、耐热晶化陶瓷 板、电源供电及功率输出电路板、功能控制电路板、操作显示电路板、风扇及风扇电 动机，电源等构成。如图（4）：电磁炉主要是利用电磁感应原理进行加热的电热饮 具，通过给感应加热线圈中加入高频电源，会在周围空间产生磁场，在磁场范围内有 铁磁性物质，就会产生高频涡流，由于涡流的作用，铁磁性物质就会发热，将铁磁性 材料制造的锅放到线圈上可以进行炊饭了。22电磁炉的原理2.2涡流的产生当导体在磁场中运动，或处在随时间变化的磁场中时，都会造成磁力线与导体的 相对切割。如图(5)所示，在铁芯线圈上有交流电通过时，铁芯线圈就会处在变化的 磁场中，产生感应电动势。铁芯线圈可看成是由半径逐渐变化的柱状壳构成一个闭合 回路。当闭合回路处在变化的磁场中磁通量随时间不断变化时，壳壁上产生了电流和 电动势。电流的流线形成闭合的涡旋状，这个电流为涡电流。因为磁性导体的电阻很 小的，产生的涡流很大，在铁芯内部流动的涡电流，把电能转化为内能，产生了的热涡流产生的原理图(5)如图（6）；金属导体处在随时间变化的磁场中时，在金属导体内部形成了感应电流, 电流的流线很像水的漩涡，所以称为涡电流。I涡涡流产生图（6）2.2.2电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理是一个“电动生磁” “磁变生电”，“电流生热”的过程。 如图（7）图中C为滤波电容，L为扼流圈，D和D为半导体高速二极管，L为高频转1 112 2换电感和C为高频转换电容，C为调谐电容器，L为感应加热线圈，DD和LC组成2231222构成逆变器。把交变电流通过整流器转变成直流电，再通过DD和LC组成逆变器，1 2 2 2将直流电流转换为高频电流，高频电流通过电磁炉锅底的励磁线圈L3，产生高频变 化的磁场，磁场中的磁力线穿过高级耐热晶化陶瓷面板进入铁锅底内，磁场中的磁力 线在锅具底部切割变化，产生涡流的使锅底金属分子互相碰撞，摩擦而产生热能，锅 底相当于一圈圈的电阻丝组成的小电炉，由于电阻小电流大的短路热效应，提供了对 热量。电 源卄整流器h灸a电磁炉的内部图（7）电磁炉内部，感应加热线圈在电路的驱动下形成高频交变电流，利用电磁感应原理， 交变电流通过炉盘加热线圈时产生交变的磁场，交变的磁场激发涡旋电场，铁磁性物 质在涡旋电场产生感应电动势，炉盘加热线圈中的电流产生变化的磁力线，铁质锅的 底部的磁力线感应出了涡流。如图八为电磁炉工作原理的示意图，当交流电源经过UR1桥堆整流，L和C 1滤波后，形成了直流电压，经过锅底加热线圈加到IGBT的漏极上，当开关脉冲低 电平达到IGBT的栅极时，IGBT导通，电阻很小，电流有UR1的正极到负极，把电 能转换为磁能储存在锅底励磁线圈中。当开关脉冲低电平达到IGBT的栅极时，IGBT 截止，由于感应线圈中的电流不能突变，只能通过C2放电，给C2，充电，把磁场能 转换成电场能，随后电容C2又向感应线圈放电，通过电感线圈与振荡电容不停进行 充电和放电，产生振荡波形。重复上述过程，电感线圈的作用在锅底的加热感应线圈 上便产生了高频磁场，该高频磁场产生的磁力线通过铁质锅底产生强大的涡流，涡流 在锅底中呈现同心形流动，由于铁质锅具有一定的电阻，相当于一圈圈的电阻丝通电 发热，整个锅底相当于无数个小电炉，迅速发热。电磁炉的工作原理图(8)图(8)中的，系统检测电路是电磁炉用来检测锅底的温度和元器件温度的，当温度达 到设有的极限值时，系统会做出相应的反应。控制电路是用来控制电磁炉的IGBT功 率管的栅极脉冲的幅度和宽度，控制IGBT的导通还是截止。电源电路是通过整流后 的脉动直流电转化而来，供电磁炉的各个功能模块的使用。显示电路是用来显示电磁 炉的各项技术操作指标。23电磁炉的特点电磁炉在人们日常生活中已经很常见，电磁炉是通过电磁感应原理进行加热的 家用电器，在使用过程中具有多项的服务功能，炊饭效果满足了人们生活水平电磁 炉与传统的煤气炉及电饭锅相比，煤气炉和电饭锅在加热时是先烧皿底部直接加热锅 内的食物，在加热的过程中有部分热消耗在燃烧空气，其热能消耗量大，煮食的时间 慢。而电磁炉的热效率高，煮食快，比传统的炉具节能环保安全。电磁炉实质上就是 一种小型的高频感应炉。电磁炉是无需明火或传导式加热的无火煮食的灶具。它的出 现标志着传统的加热炉发生了革命性的变化，即使在电磁炉炉面上洒油也不会引起燃 烧，不会导致火灾事件，更不会有存在因泄漏煤气而引发的种种事端。锅具的大小，有 无锅具对电磁炉工作的影响很大。我们发现把电磁炉和锅具分开时,电磁炉会自动切 断电源。可以说电磁炉是一种很安全的灶具。随着社会科技的发展电磁炉被称为具有现代厨房的标志。电磁炉可以根据用户不同的烹饪要求,电磁炉的样式和功能也趋向 多样化。与一般的电饮具相比，电磁炉热效率可以达到80%以上，与电炉相比，可以 节电50%70%。另外，操作也简单、方便。相对于液化气来说，更加节能。比较电磁炉与煤气灶的热效率与节能情况，下面是两种灶的相关数据调查得出：煤气灶热效率：50%电磁炉输出功率：1600w煤气热：806焦耳每立方米煤气价格：2元每立方米额定电压：220V电价格：0.7元每千瓦时共同烧水的热量均为：8xI06 J，Q Q耳 =由煤气的热效率；煤气总qVV = = 8 x106 J m3 = 0 - 2m3 可知燃烧煤气的体积；如0.5 x 8 x107 J用煤气的费用为；0-2m3 x2元沏3 = 4元当烧水的热量为8x 106 J电磁炉提供时正常工作了 5min，耳二 Q=Q=8x 16J= ho%电磁炉的热效率为；电W Pt 1600W x 50 x 60s电磁炉的费用为；2kwhx0.7兀二元 由此可知：电磁炉的热效率比煤气灶的热效率高2倍，是一种节能高效率的电器。231电磁炉感应自动断电设计另外我们知道电磁炉的锅体温度不需要我们手动控制，锅体本身会自动感 应控 制。用于电磁炉的锅底除了具有用于电磁感应的元件，还有用于与外界隔开的绝缘部 件。电磁感应的元件实际上就是一个闭合的回路，而在这闭合回路里，我们又增加了 控制温度的元件。在允许的温度的范围内，该回路可正常工作，一旦超过允许的温度 范围，该回路能自己中断。当锅在电磁炉上加热的时候，电磁感应层感应发热。当温 度达到温度控制时的数值，温度电路会自动中断(相当于是把锅突然从炉上取下)， 这时候电磁炉停止工作。该温度装置控制器基本工作原理如下当接通电源时，电磁炉及所有控制系统都有电，如果不对电磁炉进行任何的操作“单 片机口处于高电平控制，电磁炉处于待机状态，单片机程序开启单片机内部总中断、 TO中断并启动定时器TO计时，温度装置控制发光二极管VD6闪烁。定时器计时约 5分钟单片机由上电开机时，由高电平变化成低电平，三极管导通，中间继电器线 圈得电，交流接触器线圈失电，电磁炉彻底断电。电磁炉加热时，散热风扇运转，单 片机口为低电平，单片机程序关单片机内部中断并停止定时器TO计时，单片机口保 持为高电平，三极管截止，中间继电器线圈不得电，交流接触器保持得电自锁状态。 单片机控制发光二极管VD6熄灭”。【1】当我们检验电磁炉状态时，把计时器控制 TO放在断电程序中，计时控制器用 AT89C51.H的单片机型.时钟电路用6MHz晶振提供时钟信号。10ms定时器的计数初 值应为65536-25000，当10ms计数单元deda计数到40时正好为1秒。电磁炉自动感应切断电源的程序设计；#include #include /*包含器件配置*/# define uchar unsigned charuchar min=0 sec=0;/*分，秒单元置初值*/uchar deda=0/* 10ms定时中断服务于函数数据*/void zd(void) interrupt 1TH0=-(25500%256);/*赋初值TO的定时器*/TLO=-(25500%256);deda+;/*10ms 记数*/if (deda=40)deda=0;sec+;/*秒计数*/if(deda30)p1_7=0;else p1_7=1;/ * VD6 闪烁*/ if(min=5)pl_5=0;else pl_5=l;/*待机5分钟电磁炉自动断电*/*主函数*/ void main ()TM0D=0x01;/*定时器TO初始化*/ TH0=-(25500%256);TL0=-(25500%256);while(l)/*无限循环*/if(p5_7=l)IE=0x82;TR0=l;/*散热温控停转，开中断，启动TO计时器*/ else IE=0x00;TR0=0;/*散热温控温度上升，温控开关中断，停止T0计时*/ sec=0;min=0;deda=0;/*散热器工作期间计时单元清零*/p1_7=1;/*散热器工作期间VD6熄灭*/程序运行结果为：电磁炉自动感应切断电源的电路丄gVout31ki1 C2御25V1hU1705C310413IC1AT59C2O51RSTATPP3.0KXD)PS.irTXD)灯ALP3.3P3.3P3.4P3.5GNDT/CCPl.7Pl.6Pl.5Pl.4Pl.3Pl.2Pl.lP1.0P3.7+5nTIQvreR41k+5JU2R37LP5211.2kJ2gVD5irwo7+5KAI o ； JZC-23F24电磁炉的发展及缺点电磁炉的高效率成为最重要的一个卖点。市场上流行的电磁炉种类很多，现在 很多消费者购买电磁炉时，以购买移动式的为主，可以在厨房用，也可以在客厅用。 电磁炉使用时既方便又节能的优势满足了人们的生活需求。电磁炉是20世纪发展起 来的新型家用电器。如今的电磁炉不仅具有加热功能，还有自动感应功能，比如，自 动断电，自动保温等功能。缺点：电磁炉是通过感应线圈产生的磁场在锅底产生涡流进行加热的。据国 内外调查，如果精神脆弱的人经常使用电磁炉会引起记忆力减退，注意力不集中等不 良的反应，还有心脏不好的人，装有心脏起搏器的人和带有磁疗仪的人都不适用。电 磁炉的火力是有限的，传统灶具的明火会产生温度能够达到400摄氏度以上的，而电 磁炉的温度就一般很难达到的。另外，据了解，迄今为止国家对于电磁炉产生电磁辐射的危害鉴定尚无标准， 标准的缺失使电磁炉的安全质量无从得到验证，同时也正是由于缺乏电磁炉电磁辐 射的国家标准，市场难以得到强有力地整顿。参考文献:1 正田英介编；赵立竹译。电磁学M.北京:科学出版社，2001. 128.2 王洛印，胡化凯.法拉第对电磁现象的研究J.自然科学史研究，2008, 27(4): 427.3 赵凯华.电磁感应定律的通量表达式J.大学物理，2001, 20( 2).4 杨宗璞，宋书中，马建伟，等感应加热电源频率跟踪控制的研究J.电源技 术，2010, 34 (12)： 1296-1298.5 高立颖，金志辉，栾天.高频高压开关电源的设计和仿真J.电源技术，2011, 35 (3)： 283-2866 孙铁成，汤平华，孙亚秀.基于DSP控制的新型全桥ZVS PWM DC-DC变换器 J.哈尔滨工业大学学报，2006，38 (2) : 184-187.7 唐建山，林国庆.脉宽调制DC/DC全桥变换器软开关技术的研究J.电工电气， 2009 (4): 37-40.8 王旭泽译，电与磁的推理M.北京；科学出版社。2006.110.9 孙妮娜，任国臣，葛庆卿.感应加热系统的电源频率跟踪方法J.电子元器件 应用，2009，11 (8) : 41-42.10 张晓明 电磁炉的加热原理及特点(上)D.家电检修技术，2009.Application of electromagnetic induetionAbs tract : Electromag netism by two in depe ndent discipli ne orig in ally, developed into a complete subject. Has become an importa nt bra nch of physics, electromag netism is the study of electromag netic moveme nt basic rule. Developme nt is n ot only the electrotech nics theory of electromag netism, radio electr oni cs, electro nic computer tech no logy and other theoretical basis for the developme nt of new scie nee, new tech no logy, but also to Peoples Daily life and producti on tech no logy has a very close relati on ship. Electromag netism in the developme nt of moder n civilized life applia nces and electro nics tech no logy have great in flue nce. With the continu ous developme nt of scie nce and tech no logy society, no wadays, electromag netismKeywords： electromagnetic induction eddy-current heatinginductioncooker17