【高中组一等奖】“涡流”牛奶加热器原理　　

南岸区11中  黄睿　　

指导教师： 朱习江　　

我们经常需要加热牛奶，但一般牛奶包装为纸质，不适合微波炉直接加热，那我们如何方便、快捷、低投入地加热牛奶呢？所以我提出了“涡流”牛奶加热器的观点。　　

一、微波炉加热的弊端 　　

微波是一种电磁波，这种电磁波的能量不仅比通常的无线电大得多，而且很有“个性”：　　

1、微波一碰金属就反射，金属根本没有办法吸收或传导它；　　

2、微波可以穿透玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；　　

3、微波不仅不能通过含水分的食物，其能量反而会被吸收，并使食物中的水分子随之运动，剧烈运动产生大量的热，于是将植物煮熟。　　

若只考虑材料为纸盒，微波可以穿过它加热里面的牛奶，但是，由于封闭环境中受热膨胀，会导致牛奶涨破溅出。　　

若还考虑纸盒中的铝箔层，金属不能吸收微波，导致能量聚集，产生火花，严重时爆炸。　　

综上所述，纸盒牛奶不能直接放到微波炉里加热，安全隐患也很大。　　

二、市面上加热牛奶的“温奶器” 的弊端　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　市面上常见的专门用于加热牛奶的“温奶器”加热原理大致分两种。一是采用了以新型硅酸盐材料为载体的新技术，PTC陶瓷高效发热技术。另一种是类似于电饭煲加热原理，利用电流的热效应。由Q=I²Rt，其它条件一定，R越大，Q越大，所以利用电流热效应也可加热。但两者价格不菲，对于热牛奶，难免小题大做。　　

 三、“涡流”牛奶加热器原理　　

“涡流”牛奶加热器原理，和电磁炉加热原理一样，利用的是涡流加热。　　

当大块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，在这块导体中也会出现感应电流。由于导体内部处处可以构成回路，任意回路所包围面积的磁通量都在变化，因此，这种电流在导体内自行闭合，形成涡旋状，故称为涡电流。

而由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，产生热量很多。类似电磁炉加热原理，涡流加热同样可应用于牛奶加热。电磁区有一个金属线圈，当交变电流通过线圈是会产生交变磁场，这个磁场的大小和方向是随电流不断变化的，这个变化的磁场又会使放在电磁区上方的铁质（或钢铁）盘产生热效应，这些能量便能起到加热的作用，从而煮熟食物。　　

介于纸盒牛奶的纸质材料不能产生电磁感应现象（铝箔导磁性差，效率低），所以直接在电磁区上放置好符合要求的铁质底盘，产生电磁感应现象，涡流生热，热传递给纸盒牛奶。控制好　80℃　左右的最高温，规避受热过快热膨胀的问题。　　

关于热量的计算，沿铁芯片截面的磁场分布，可以用麦克斯韦的方程式来求，此处不详细证明。据资料，圆柱体变压器铁芯的涡流损耗，与磁感强度增量和铁芯的体积成正比，与铁芯直径的平方成正比，与电阻率及脉冲宽度的平方成反比。或者，圆柱体变压器铁芯的涡流损耗，与磁感强度增量以及铁芯直径的四次方成正比，与电阻率及脉冲宽度的平方成反比（两种说法等效）。虽然涡流热效应定量计算目前中学难以详尽，但投入实际生产时可以专业测量计算的。　　

涡流感应加热的优点：

1.非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触

2.加热效率高，速度快，可以减少表面氧化现象

3.容易控制温度，提高加工精度

4.可实现局部加热

5.可实现自动化控制

6.可减少占地、热辐射、噪声和灰尘。　　

四、“涡流”牛奶加热器的意义　　

对市面上牛奶加热器的原理进行创新，降低成本，提高效率，让中学课本上的理论知识与实际生活有机联系，让生活因科技而更美好！　　

教师评语：　　

黄睿同学的作品，是一篇典型的物理创新观点文。她从生活中的细心观察出发，提出了“涡流发热”的新原理，并以此推出了其在实际生活生产的使用价值。　　

这篇说明文另一个典型之处还在于，将书本知识与实际生活联系起来，学以致用。她确实在学习的过程中思考了如何用涡流等物理知识来改善我们的生活。最后希望这个作品能激发广大同学细心观察生活和学习应用书本知识的积极性，从而让科学流行起来。　　

                                                                                     2013.2.28