自制实验仪器演示涡流热效应现象

刘春慧+张洪明

摘 要：本文介绍了一个自制实验来演示涡流的热效应现象，利用简单的实验器材产生高频低压振荡电流，对线圈内的被感应金属加热，演示涡流的热效应。

关键词：电磁感应；涡流；自感；涡流热效应

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）6-0054-3

人教版教材物理选修3-2第4章第7节《涡流电磁阻尼电磁驱动》的第一部分涡流，教材上讲解了涡流的防止和利用，可以利用涡流现象进行真空冶炼。这个实验要求的条件在实际课堂教学中不容易达到。笔者通过研究制作出类似的实验仪器，成功演示了涡流的热效应。方法介绍如下：

1 实验器材

实验所需要的器材如表1所示。

2 实验原理

用旧电脑电源变压器的一组输出电源作为本实验仪器的电源电压。当电源电压作用于

+12 V，电流开始同时通过两侧的初级并施加到IRFP260的漏极（D）上。电压会同时出现在IRFP260的门极（G）上并开始将IRFP260开启。因为没有任何两个元件是完全一样的，一个IRFP260比另一个开得快一些，更多的电流将流过这个IRFP260。通过导通侧初级绕组的电流将另一侧IRFP260的门极电压拉低并开始关断它。图1中电容和初级的电感发生LC谐振并使电压按正弦规律变化。如果没有这个电容，通过IRFP260的电流会一直增大，IRFP260将被烧毁。

假设Q1首先开启。当Z点电压跟着LC谐振的半个周期上升到峰值再回调时，Y点电压会接近0。随着Z点电压下降到0，Q1的门极（G）电压消失，Q1关闭。同时Q2开启，此时Y点电压开始上升。Q2的导通把Z点电压拉低到接近地，这可以确保Q1完全关断。Q2完成LC振荡的半周后会重复同样的过程，此振荡器继续循环工作。为了防止电路从电源拉取巨大的峰值电流而损坏，增加了160 μH电感和电源正极之间作为缓冲。LC阻抗限制着实际的电流（160 μH电感只是减少峰值电流，因为电感有续流作用）。

简单说就是振荡后升压，利用二极管对两个IRFP260的G极扯来扯去，一个升高另外一个被降低停止工作，再利用LC并联振荡电路产生正弦高频电流在次级线圈可以对物体感应加热。

3 实验制作

第1步：将一个IRFP260，10 kΩ电阻，接线端子插到PCB板子上；

第2步：对称地在左边也插上另一个IRFP260，

10 kΩ电阻；

第3步：在10 kΩ点击下面插入两个12 V稳压二极管（黑色环为二极管负极）；

第4步：在12 V稳压二极管下面对称插入两个470 Ω电阻；

第5步：在中间位置插入两个快速恢复二极管（银色环一端为二极管负极，黑色为正极）；

第6步：将两个160 μH电感线圈对称插入（电磁炉专用黄白电感）；

第7步：插入一个0.33 μF 1200 V电容（电磁炉谐振电容）；

第8步：在兩个IRFP260后面加上散热片。

如图2所示，在焊接的时候注意先构思好每个元件在电路板上的位置，逐个先焊接到电路板上，最后在根据走线用焊锡覆盖，由于实验过程电流较大所以走线的焊锡要够厚。

由于本实验的特点是低电压大电流，实验室一般的常用电源在电流过大时会过流保护，所以本实验使用电脑开关电源。各种颜色对应的电压为黄色：+12 V，土黄色+3.3 V，橙色+5 V，黑色（负极）接地线，绿色（和黑色短接即可重启电源供电）开机信号线，蓝色-12 V，白色-5 V，紫色+5 V。实验时从黄色和黑色线取出直流电，电脑电源本身有过流保护，电源过流保护后在第二次使用时需要将绿色和黑色短接启动电源。

4 实验效果

接通电源将螺丝刀或者壁纸刀放入到线圈内部不到一分钟，就可以将金属加热得通红，实验效果如图3所示。（精心操作，注意安全）

5 实验优点

（1）本实验结构简单，电路图容易理解，有很强的可操作性。

（2）本实验体积小巧，整个装置最大长度不超过15 cm，便于携带和储藏。

（3）本实验效果明显，在不到一分钟的时间内就可以把螺丝刀加热到通红，视觉冲击明显。

（4）本实验可视性强，将装置放到投影仪下面

可以使所有学生都观察到实验现象。

（5）笔者研制实验的过程中还参考了“淘宝网”上的资料（例如ZVS感应加热），并在网上购买了元件套件。笔者个人还主办微信公众号“趣味科学实验qwkxsy”，并获得课件评比全国二等奖。

参考文献：

[1]张洪明.利用实验解决高中物理教学难点分析[J].物理教学，2015（7）：25.

[2]张洪明.自制电动机[J].物理教学，2015（11）：78

[3]张洪明.利用智能手机做物理实验[J].物理教学，2016（3）：30.（栏目编辑 王柏庐）