Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Какова же мощность, выделяемая в результате эффекта Джоуля – Ленца? Ее величина зависит от важной характеристики проводника – его сопротивления, и от так называемой электродвижущей силы (ЭДС) источника тока. Последняя примерно равна напряжению (или разности потенциалов), которое устанавливается между полюсами источника тока (илл. 2). Так, электрическая розетка обеспечивает на своих контактах напряжение V = 220 В. Если сопротивление проводника равно R (измеряется в системе СИ в омах), то сила тока (измеряемая в системе СИ в амперах) I = V/R (закон Ома). Что касается выделяемой в результате эффекта Джоуля – Ленца мощности W (измеряемой в системе СИ в ваттах), то ее можно вычислить по формулам W = RI² или W = V²/R. При заданном напряжении V эта мощность тем выше, чем меньше сопротивление нагрузки.

Таким образом, стоящая на плите кастрюля нагревается за счет протекания тока в нагревательном элементе. За его же счет нагревается и окружающий воздух, однако в гораздо меньшей степени, чем в случае с газовой плитой. После выключения чугунная конфорка остается горячей довольно долго, и, коснувшись ее, можно обжечься. Перейдем теперь к основной теме этой главы – современным методам приготовления пищи.

1. Приготовление в кастрюле на дровяной плите. Традиционные кулинарные методы обычно основаны на нагревании при контакте с горячим металлом (здесь – плитой), горячим воздухом (в духовке) или кипятком. Температура в кастрюле устанавливается почти постоянной благодаря конвекции, которая заставляет циркулировать жидкость или пар

Индукционные плиты

Когда проводящий контур оказывается в переменном магнитном поле, в нем возникает электрический ток (см. главу 16, врезку «Электромагнитная индукция»). Это явление, называемое электромагнитной индукцией, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем (1791–1867). Электромагнитная индукция находит бесчисленные применения в современной технике, в том числе в индукционных плитах на современных кухнях. Как же они работают?

В такой плите под рабочей (так называемой варочной) панелью расположено устройство (илл. 3), которое генерирует переменное электромагнитное поле. Пока на варочной панели ничего нет, энергии потребляется мало: панель не нагревается, можно даже коснуться ее без риска обжечься. Но когда на нее ставят металлическую посуду, электромагнитное поле обеспечивает возникновение электрического тока. Тут, пожалуй, понадобится небольшое объяснение. В начале главы мы упомянули проводящий контур: где же он находится в этом случае? Нагрузкой в нем является сама кастрюля, дно которой должно быть обязательно металлическим. Под воздействием индуцируемого электромагнитного поля электроны в металле двигаются, образуя проходящий через дно кастрюли контур. Такие электрические токи, циркулирующие в объеме проводника под воздействием переменного электромагнитного поля, называются вихревыми, или токами Фуко – в честь того самого Леона Фуко, который использовал маятник для демонстрации вращения Земли (см. главу 4). Таким образом дно кастрюли нагревается благодаря эффекту Джоуля – Ленца. Выделяемое при этом тепло передается в готовящуюся в кастрюле пищу, например суп, который в результате быстро закипает.

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