تقدم هذه المسألة فيزياء مطبخ مثيرة للاهتمام: موقد حثي. يتكون هذا الجهاز بشكل أساسي من ملف، يتم تشغيله بواسطة تيار متردد يسخن وعاء معدني فوقه. إنه بديل حديث للطهي يوفر العديد من الفوائد مثل بيئة طهي أكثر أمانًا (لا توجد نار أو غاز قابل للاشتعال)، وأواني أنظف (لا يوجد سخام)، وطهي أسرع وأكثر صداقة للبيئة (يمكن تشغيله بواسطة الكهرباء المتجددة). في هذه التجربة، سنستكشف الفيزياء الأساسية المثيرة للاهتمام للموقد الحثي.
هناك ثلاثة أجزاء في التجربة. أولاً، سنقوم بقياس محاثة الملف ($L$) ومقاومته الداخلية ($R_L$). ثانيًا، سنقوم بدراسة ظاهرة عمق الجلد في المعادن وهو أمر مهم للطهي بالحث. ثالثًا، سنحدد السعة الحرارية النوعية ($c$) لمختلف الأوعية المعدنية ومقاومة الحمل الفعالة ($R_{\mathrm{LOAD}}$).
البارامتر/الثابت الرمز القيمة ستيفان بولتزمان $\sigma_s$ $5.670\times10^{-8}\:{\rm W\:m^{-2}K^{-4}}$ النفاذية المغناطيسية الفراغية $\mu$ $4\pi\times10^{-7}\: {\rm H/m}$ الكثافة الكتلية لـ Al $\rho_{\textrm{Al}}$ $2700 \, \mathrm{kg/m^3}$ الكثافة الكتلية ل SS410 $\rho_{\textrm{SS410}}$ $7700 \, \mathrm{kg/m^3}$ انبعاثية Al $e_{\textrm{Al}}$ 0.65 انبعاثية SS410 $e_{\textrm{SS410}}$ 0.8
ملاحظة:
المكون الرئيسي الأول في الموقد الحثي هو الملف. في هذه التجربة سنقوم بقياس الحث الذاتي ($L$) للملف رقم 1 (الملف العلوي) كما هو موضح في الشكل 3ب. يمكن نمذجة هذا الملف على أنه محث مثالي $L$ على التوالي مع مقاومة داخلية للملف $R_L$.
سنستخدم دائرة RLC موصلة على التوالي مع المقاوم المعدني الأصفر $R_1$ ، والملف رقم 1 ومكثف. هناك أربعة مكثفات مختلفة. يُرجى ملاحظة أن جهد خرج مولد الدالة (FG) قد يختلف مع تغيير التردد حيث قد تتغير مقاومة الحمل.
المقاومة من جميع الكابلات ($R_C$)، التي تساهم في المقاومة الكلية ($R_{\mathrm{TOT}}$) في الدائرة، ليست مهملة. حدد $R_C$.
ملاحظة:
A. الحث المتبادل
في هذه التجربة رقم 2 سنستخدم الملفين كما هو موضح في الشكل 4، ولكن بدون أي ألواح معدنية. أولاً، سنقيس الحث المتبادل $M$ بين كلا الملفين. وفقًا لقانون فاراداي، سيؤدي التغيُّر في التيار في الملف الأول إلى توليد جهد في الملف الثاني.
B. تجربة عمق الجلد
يلعب مفهوم "عمق الجلد" دورًا مهمًا في الطباخ الحثي. ويميز "عمق الجلد" عمق اختراق المجال الكهرومغناطيسي المستحث بالتيار المتردد (AC) في المعدن. في هذه التجربة، سنبحث في هذه التجربة في عمق الجلد لمختلف المعادن التي يمكن استخدامها كأحواض طهي. وسنتحقق من اعتماده على التردد وقياس الموصلية الكهربائية ($\sigma$) للمعادن.
نضع الملف رقم 1 كملف أولي والملف رقم 2 كملف ثانوي. وبما أن السُمك الكلي للمعدن ($\sim 3 \, \mathrm{mm}$) صغير مقارنة بالمسافة بين الملف والملف ($15 \, \mathrm{mm}$)، يمكننا افتراض أن المجال المغناطيسي في الأسفل، بالقرب من الملف الثانوي ثابت تقريبًا (إذا لم يكن هناك معدن).
وفقًا لمعادلات ماكسويل، عندما يخترق مجال كهربائي أو مغناطيسي متذبذب موصلًا، يتناقص المجال داخل الموصل أسيًا مع مسافة الاختراق $z$:
$$B(z)= B_0\: e^{-z/\delta}\:\cos (\omega t - z/\delta + \phi)$$
حيث$B_0$ هو سعة المجال المغناطيسي قبل دخوله إلى الموصل، $\delta$ هو "عمق الجلد" و $\phi$ هو الطور. ملاحظة: نتجاهل عامل الطور $(-z/\delta+\phi)$ في هذه التجربة.
يُعطى عمق الجلد في الموصل على النحو التالي:
$$\delta = \sqrt{\frac{\sigma^m f^n}{\pi \mu}}$$
حيث $\sigma$ هو التوصيل الكهربائي، $f$ هو التردد، $\mu$ هو النفاذية المغناطيسية، $m$ و $n$ هما عاملا قدرة وهما عددان صحيحان وسيتم تحديدهما في هذه التجربة.
سنقوم بإجراء تجارب على أربعة معادن: (1) الألومنيوم، (2) النحاس، (3) الفولاذ المقاوم للصدأ "SS304" و(4) الفولاذ المقاوم للصدأ "SS410". من خلال إدخال المعادن بين الملفات، سينخفض الجهد في الملف الثانوي بسبب "تدريع" المجال المغناطيسي للتيار الدوامي في المعدن.
ملاحظة: استكشف أولاً النطاق المناسب من الترددات التي تنتج تغيرات كبيرة في جهد الملف الثانوي.
وضع نموذج مع المعادلات وإجراء التجربة لتحديد $n$ لكل فلز (مقربًا لأقرب عدد صحيح). سجّل بياناتك وارسم الرسوم البيانية المناسبة للحصول على $n$ و $\sigma$ (وهو ما سيُطلب منك في س2.6).
حدد معدنًا واحدًا لا يعطي بيانات جيدة بسبب القيمة القصوى لعمق الجلد، وبالتالي يمكنك تجاهله في السؤالين Q2.5 وQ2.6.
الملاحظات:
في هذه التجربة سوف نستخدم الألومنيوم ومعدن SS304 كـ "وعاء الطهي". أولًا سوف تقوم بتركيب "وعاء" الألومنيوم (البند رقم 11)، وتثبيته على المنصة العلوية ثم تقلبه رأسًا على عقب كما هو موضح في الشكل 5. سوف تستخدم الملف رقم 2، الذي يكون مفصولًا جيدًا عن "المقلاة"، بحيث لا يكون هناك انتقال للحرارة بينهما عن طريق التوصيل.
ضع الإعداد داخل الصندوق الأسود (البند رقم 8) بحيث يكون فقدان الحمل الحراري ضئيلًا. نظرًا لأن "المقلاة" المعدنية موضوعة على منصة بلاستيكية (عازل حراري)، فإننا نفترض أيضًا عدم وجود فقدان للحرارة بسبب التوصيل. وبالتالي فإن الفقد الوحيد للحرارة ناتج عن الإشعاع إلى البيئة المحيطة. تُعطى القدرة الإشعاعية لجسم بدرجة حرارة $T$ على النحو التالي:
$$P_{RAD}=e A \sigma_S T^4$$
حيث $e$ هو الانبعاثية، $\sigma_S$ هو ثابت ستيفان-بولتزمان و A هو مساحة السطح المشع.
يمكننا قياس درجة حرارة "الوعاء" المعدني من خلال قياس مقاومة الثرمستور NTC (مرفق)، والتي تُعطى على النحو التالي
$$R_{NTC}=R_0\:\exp{[B(1/T-1/T_0)]}$$
حيث $R_0 = 10 \, \mathrm{k}\Omega$ هي المقاومة الاسمية عند درجة الحرارة المرجعية $T_0 = 25 \, ^{\circ}\mathrm{C}$ ، $B = 3950 \, \mathrm{K}$ هو ثابت، و $T$ هو درجة حرارة الثرمستور (بالكيلووات).
أخيرًا، يمكننا نمذجة تسخين "الوعاء" المعدني كما لو أنه يقدم "مقاومة حمل" $R_{\mathrm{LOAD}}$ إلى الدائرة كما هو موضح في الشكل 6. وبعبارة أخرى، يمكن نمذجة نظام الملف والوعاء المعدني على شكل ملف الحث $L$ ، ومقاومة الملف $R_L$ و"مقاومة الحمل" $R_{\mathrm{LOAD}}$.
اقتراح: قم بإجراء القياسات بعد 30 ثانية تقريبًا من تطبيق الطاقة للتأكد من أن الملف يوفر طاقة ثابتة وحتى يتم توزيع الحرارة بشكل أكثر اتساقًا.
D.1. صندوق مولد الوظائف
المكونات:
د.2 - راسم الذبذبات الرقمي
1. وظائف مفاتيح اللوحة
تتيح لك هذه المفاتيح التنقل عبر الإعدادات وتحديد الوظائف وضبط القياسات.
2. وضع قياس الذبذبات:
في وضع راسم الذبذبات، يقيس الجهاز الجهد فقط ويعرض الشكل الموجي كدالة للزمن. يمكن لهذا الوضع قياس إشارة الجهد بتردد عالٍ جدًا يصل إلى $1 \, \mathrm{MHz}$.
3. وضع القياس بالمقياس المتعدد:
في وضع المقياس المتعدد، يستخدم الجهاز لقياس المعلمات الكهربائية مثل الجهد والمقاومة. في وضع الفولتميتر المتردد، يعطي قراءات رقمية بما يصل إلى 4 أرقام معنوية ولكن التردد محدود فقط بين 40 هرتز إلى 1 كيلو هرتز.
4. الوظائف الإضافية
5. شحن مقياس التذبذب الطيفي الرقمي
للتأكد من أن الجهاز جاهز للاستخدام دائمًا، تتبع مستويات البطارية.