陳士元

☆創(chuàng)新實驗☆

電飯鍋溫度控制原理與探究性物理實驗

陳士元

一、金屬熱脹冷縮和磁性材料居里點的物理原理

初中學生學習了物理熱現象中金屬物質熱脹冷縮的原理，金屬熱脹冷縮的微觀原理是在金屬固體中，金屬離子間力的作用比較大，絕大多數金屬離子被束縛在平衡位置附近做微小的振動。溫度升高，金屬離子的無規(guī)則運動加劇，加劇到一定程度，離子間的作用力已經不能把金屬離子束縛在固定的平衡位置附近。宏觀表現為金屬受熱溫度升高后體積膨脹。高中學生在磁場章節(jié)磁性材料中學習了磁性物質的居里點，任何物質在磁場的作用下都能或多或少地被磁化，只是被磁化程度不同。像鐵那樣能夠被強烈磁化的物質叫鐵磁性材料。磁化后的鐵磁性物質，它們的磁性并不因外磁場消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。鐵磁性物質按剩余磁性的情形分為兩種，一種如碳鋼、鎢鋼、鋁、鎳、鈷的合金等，它們的剩余磁性較強而且不易消失，能夠保留較強的磁性，這種材料叫做硬磁性(又稱永磁材料)，另一種如軟鐵、硅鋼、鎳鐵合金，它們的剩余磁性較弱而且容易消失，這種材料叫做軟磁性材料。實驗指出，當溫度高達一定程度時，硬磁性材料將消失而成為軟磁性材料，這一溫度叫居里點。電飯鍋中使用的是居里點為105℃左右的稀土磁性材料。金屬熱脹冷縮、磁性材料居里點這兩個物理原理在電飯鍋溫度控制中得到了很好的應用。

二、電飯鍋溫度控制的過程解釋

在日常生活中，我們用電飯鍋煮飯是一件很平常的事情，我們通過電飯鍋的紅黃兩個指示燈來判斷它是否工作。其實它們的工作過程是這樣的：

(1)插上導線插頭通電→紅指示燈亮→發(fā)熱盤發(fā)熱→升溫至70℃低溫控制電路斷開→升溫至105℃高溫控制電路斷開→兩條電路都斷開黃指示燈亮。

(2)紅黃兩指示燈有三根引出線，電路有兩種，一是氖管和電阻串聯(lián)后直接通在220伏電路上，另一種是低壓發(fā)光二極管和變壓電路相連接。三根引出線中紅燈線直接和發(fā)熱盤的一個接頭相連接(同時連到了電源的一條線)，黃燈線和高溫控制觸頭相連(它的上游是低溫控制開關和電源另一條線的連接點)，第三根線也稱中性線和高溫控制開關的另一個觸頭相連(它的上游是發(fā)熱盤的另一個接頭)。

(3)紅指示燈的作用是監(jiān)督發(fā)熱盤是否存在電壓，表示發(fā)熱盤是否在工作。黃指示燈是被高溫控制開關和低溫控制開關所控制，二者只要有一個導通就對黃指示燈短路，黃指示燈就不亮。但是如果兩者都斷開則黃指示燈通過發(fā)熱盤電阻和電源相通而發(fā)光。

三、電飯鍋溫度控制的物理解釋

(1)雙電路供電，分高溫控制電路和低溫控制電路。高溫控制就是內鍋底部高于某溫度(具體溫度由磁性材料決定)就斷開電路，讓發(fā)熱盤停止工作。低溫控制是當內鍋底部低于某溫度(具體溫度可調整)電路導通能夠讓發(fā)熱盤工作，高于某溫度則斷開電路，不再向發(fā)熱盤供電。對發(fā)熱盤而言只要有一路導通就能工作。在高溫控制電路和低溫控制電路的控制下，發(fā)熱盤就能在某一溫度區(qū)間自動工作，完成煮飯、保溫的任務。

(2)高溫控制的原理，電路中有一個常開觸頭，磁缸中有一塊磁性材料，居里點大約105℃，開始煮飯時通過撥動杠桿吸在發(fā)熱盤底部(同時將一根彈簧壓縮)，這是利用了磁極能吸引鐵磁質的物理原理，常開觸頭閉合，電路導通，電飯鍋發(fā)熱盤工作，當溫度升高到105℃以上超過了磁性材料的居里點而失去磁性，在被壓縮的彈簧作用下，磁性材料自動脫落，帶動電路斷開。當然如果需要可用手撥動杠桿使磁鐵性材料塊脫離底部—觸頭斷開—斷電—停止工作。

(3)低溫控制的原理，金屬片熱脹冷縮—高溫時斷開電路—低溫時合上電路供電。它是一個常閉觸頭，升溫后金屬片受熱膨脹壓迫簧片，使觸頭斷開；降溫后金屬片冷縮簧片反彈，觸頭閉合。調溫開關可調節(jié)臨界點，一般在70℃～80℃。

四、電飯鍋溫度控制的兩個探究性物理實驗

實驗1：低溫控制開關對溫度的控制

原理：常溫下閉合是一個常閉開關，溫度升至某值(如70℃)就自動斷開。反之，溫度下降低于70℃就自動閉合。電飯鍋中用來實現保溫目的。利用的是金屬熱脹冷縮物理學原理。

器材：酒精燈、火柴、低溫開關、導線、電池、小燈。

步驟：(1)將低溫開關和導線、電池、小燈組成一個串聯(lián)電路，常溫下小燈泡發(fā)光，說明電路導通。(2)點燃酒精燈，對低溫開關加熱，溫度升高超過某一溫度(如70℃)后，小燈熄滅，說明電路斷開。(3)當低溫開關冷卻溫度下降低于70℃時，小燈泡發(fā)光，說明電路又導通。

實驗2：高溫控制開關對溫度的控制

原理：常溫下斷開是一個常開開關，手動操作后依靠磁性吸合，當溫度升至某值(如105℃)就自動斷開。電飯鍋中用來實現防止煮飯煮過頭的目的。利用的是磁性材料居里點的物理學原理。

器材：酒精燈、火柴、磁缸、金屬線、老虎鉗、燒杯、清水。

步驟：(1)用老虎鉗將一段金屬線和固定磁性材料的金屬片連接，提起金屬線下面的磁性材料塊能和鐵片吸合，說明具有磁性。(2)點燃酒精燈，對磁性材料加熱，當溫度升高到某一溫度時，和磁性材料吸合的金屬片自動分離，說明磁性材料塊失去磁性。(3)將磁性材料塊放入盛有清水的燒杯中，冷卻，再和金屬片接觸能吸合，說明磁性材料恢復了磁性。

五、電飯鍋的簡單維修

學習了電飯鍋的物理原理就可以對電飯鍋進行簡單維修，需要的工具有：大小合適的螺絲刀、老虎鉗、萬用表。對不能正常工作的電飯鍋先拿出內鍋再倒置從底部打開，第一步先目測檢查有沒有燒壞的地方，主要是各連接導線。第二步用萬用表測量發(fā)熱盤是否存在電阻，電阻為無窮大說明發(fā)熱盤已壞。第三步測量低溫開關是否導通，一般情況下它不易損壞，常溫下客觀存在應該導通即電阻為零，否則已壞。第四步用左手從電飯鍋殼體內壓住高溫開關再用右手輕壓和高溫開關相連的一根金屬杠桿(類似于煮飯時在外殼側面的操作)，如果發(fā)現有磁性吸力說明高溫開關沒有壞，否則已壞。

[1] 陳士元.探究性物理實驗舉例[J].中國現代教育裝備,2010,10:30-31.

2011-02-25

陳士元，本科，教育碩士，中教高級。

江蘇省南京市高淳縣第二中學。