Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

2. Схематическое представление генератора постоянного тока с электродвижущей силой V (примерно равной напряжению, установившемуся между полюсами + и –), замкнутого на проводник сопротивления R . По схеме проходит ток силой I , измеряемой специальным прибором – амперметром

Электродвижущая сила индукции пропорциональна амплитуде переменного электромагнитного поля и скорости его изменения со временем, то есть его частоте. Частота переменного напряжения в сети составляет 50 Гц, что не позволяет создать достаточную ЭДС для нагрева кастрюли. Для того чтобы достигнуть нужных величин ЭДС, эту частота следует увеличить в 500 или даже в 1000 раз. Именно это и происходит под рабочей поверхностью индукционной плиты.

3. Принцип индукционного нагрева. Кастрюлю ставят на керамическую панель – устойчивый к большим перепадам температуры материал, под которым расположена индукционная катушка. По катушке, состоящей из ряда витков проволоки, протекает переменный ток, который порождает в ней переменное магнитное поле: интенсивность и направление поля (обозначенное зелеными стрелками) изменяются с высокой частотой. При этом в нижней части кастрюли возникают вихревые токи (красные стрелки) и благодаря эффекту Джоуля – Ленца нагревают ее

Использовать один электрический ток для производства другого – какой в этом смысл? Смысл в том, что индукционный ток гораздо более высокой частоты, чем приходящий из сети, возникает без электрического контакта именно там, где необходимо (в дне кастрюли). Это, в частности, предотвращает опасность поражения электрическим током. По сравнению с другими способами приготовления пищи (газовой плитой или чугунной плитой, где тепло выделяется непосредственно благодаря эффекту Джоуля – Ленца) индукционный нагрев имеет ощутимое преимущество: на рабочей поверхности индукционной плиты нагревается только то, что вы хотите нагреть. Окружающий воздух изменяет температуру незначительно. Керамическая поверхность индукционной плиты нагревается при контакте с кастрюлей, но значительно меньше, чем чугунные конфорки. Таким образом, индукционная плита экономит энергию и уменьшает риск ожога. Кроме того, она обеспечивает очень быстрый нагрев. Единственный минус: не всякая посуда подходит для приготовления пищи на такой плите. Соответствующая посуда должна быть не просто металлической, но изготовленной из ферромагнитного металла, такого как сталь или чугун. Дно кастрюли также по различным причинам должно быть толстым, в первую очередь во избежание повреждения воздействующей на него высокой температурой.

Оказывается, что в то время, как для индукционной плиты подходит только металлическая посуда, другое популярное на наших кухнях устройство ее не приемлет. Перейдем к его обсуждению.

В начале 1830-х годов физик Майкл Фарадей провел серию экспериментов, посвященных электромагнитной индукции.

Установить ее позволяет простой опыт. Рассмотрим замкнутый проводящий контур (например, из меди) с обмоткой, образующей n витков площади S (см. илл.). Когда проходящее через обмотку магнитное поле H меняется во времени, то в цепи возникает электрический ток. Его величина зависит от свойств электрической цепи (в особенности от ее сопротивления). Возникающая же на концах обмотки электродвижущая сила V определяется простой формулой: V = – n dΦ/d t , где Φ – «магнитный поток», проходящий через каждый виток. Он пропорционален площади S витков и магнитному полю H . Таким образом, чем больше витков в обмотке, тем большая электродвижущая сила в ней возникает.

Сегодня большая часть электроприборов работает на основе явления индукции. Например, снабжающие нас электричеством генераторы на атомных, тепловых и гидроэлектростанциях (см. главу 13) или зарядные устройства для мобильных телефонов. Все эти приборы содержат трансформаторы (см. иллюстрацию), которые позволяют от источника переменного тока данного напряжения получить переменный ток под другим напряжением. Первичная катушка в устройстве генерирует в ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) магнитное поле. Под его влиянием металл намагничивается, что приводит к значительному увеличению магнитного потока: в случае железного сердечника он возрастает примерно в 5000 раз! Поэтому магнитопровод обязательно изготовливается из ферромагнитного металла. По той же причине и кастрюли на индукционной плите должны быть изготовлены из стали или чугуна – ферромагнитных сплавов железа и углерода.