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电饭锅
电饭锅是家庭常用的炊具,使用起来非常方便。因为我们只要把米和水放进电饭锅,就不用管了,做好了饭,开关就会自动弹起,断开电源或者切换为保温状态。电饭锅是怎么知道饭已经煮好了呢?
其实原理很简单。在锅底中心,有一种特殊的材料:感温铁氧体。感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌、氧化铁粉沫混合烧结而成,常温下是铁磁性的,也就是说磁性比较强。但是温度上升到约103度时就会变为顺磁性,此时的磁性就很弱了。这种磁性转变的温度称为居里点。
开始做饭时,我们按下开关,在杠杆的作用下,左端的小磁铁上升,吸住电饭锅内胆上的感温铁氧体。此时电路中的弹性铜片会与触点接触,连接电路。电流通过电热线圈,给电饭锅加热。在煮饭的过程中,由于锅内有水,所以锅内温度一直都低于水的沸点100度,所以内胆上的感温铁氧体一直有磁性,吸住永磁体,保证电路不断开。
当饭煮好后,水分会被大米吸收,于是锅内的温度会突破100度,继续上升。当温度上升到103摄氏度之后,内胆上的感温铁氧体会失去磁性。此时,在弹簧的作用下,杠杆左端会下落,带动绝缘片顶开弹性铜片,停止加热。所以,电饭锅发出嘭的一声,开关弹起,就表示米饭已经煮好了。此时如果我们立刻再次按下开关,会发现开关会再次弹起,这是因为此时锅内温度还是很高,铁氧体没有磁性的原因。
也就是说:感温铁氧体可以感知温度的变化,并且通过某种方式将温度的变化转变为电流的变化(通断),这种把温度量转化为电学量的装置称为温度传感器。电饭锅就是通过温度传感器实现煮好饭后自动断电的。
那么,用电饭锅能不能烧水呢?显然,使用电饭锅可以将水加热到100度沸腾。但是水沸腾后温度不会继续上升,因此温度无法达到居里点103摄氏度,不能自动断电。要么需要有人看着,水开后手动断电,要么电饭锅就会把水烧干,然后才会自动断电。因此用电饭锅烧水是不方便的。
电水壶
那么,电水壶在水烧开之后可以自动断电,又是什么原理呢?
它使用的温度传感器称为双金属片温度传感器。
这种传感器的原理是把两个热膨胀系数不同的金属片贴在一起,比如一面是铁,另一面是铜。当双金属片受热时,铁片和铜片都会膨胀,但是铜片膨胀的更厉害。于是,金属片就会向铁片一侧弯曲。
当电水壶烧水到沸腾时,会产生大量的水蒸气,温度在100度附近。这些水蒸气会涌入双金属片温度传感器中,使双金属片弯曲,从而断开电路。但是烧水时要把壶的盖子盖上,因为很多电水壶的温度传感器在盖子里,如果不盖上盖子,水烧开之后水蒸气无法触及温度传感器,也就无法自动断电了。
电熨斗
家里常用的另一个电器:电熨斗也是使用这个原理控温的。
在电熨斗中,电热丝、双金属片、触点和弹性铜片构成一个通路。常温下两个触点是相互接触的,电流流过这个通路时,电热丝发热,就可以使得熨斗的温度升高。
但温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停止加热.温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。
现在,很多电熨斗的温度都可以自己设定,因为熨烫不同材料的衣服需要设定不同的温度,在结构图中有一个调温旋钮,只要我们旋转这个旋钮就可以改变设定的温度了。
比如,熨烫棉麻衣服需要设定比较高的温度,就需要触点更多的时候是接触的,于是我们可以向下旋转调温旋钮,使得调温螺丝更深的顶住弹性铜片,这样只有在更高的温度下才能实现触点的分离而停止加热。
熨烫丝绸衣服时需要设定相对较低的温度,就需要触点更多时候是分离的,于是我们可以向上旋转调温旋钮,使得调温螺丝比较浅的顶住弹性铜片,这样温度不太高时,触点就会分离,因而停止加热。
温度传感器是一种非常常见的传感器,让我们的生活变得越来越方便。
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李永乐
李永乐老师:北京大学物理与经济双学士,清华大学电子工程硕士;北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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