电磁学感应加热

感应加热过程

感应加热与焦耳热效应基本类似，但有一个重要的不同之处：对材料进行加热的电流是通过电磁感应的方式产生的，这是一种非接触式的加热过程。

通过在感应线圈上施加高频交流电，可以产生一个时变磁场。将被加热的材料（称为工件）放置在磁场内，但不接触线圈。在交变电磁场的感应作用下，工件中会产生涡流，导致电阻损耗，从而达到对材料进行加热的目的。请注意，并非所有材料都可以实现感应加热，这种方法只适用于电导率较高的材料（如铜、金、铝等）。

更进一步来说，高频电流会引起集肤效应，迫使交流电以薄层的形式流向工件表面，从而使导体的电阻增加，最终使加热效果得到大幅提升。

与其他材料相比，黑色金属更容易实现感应加热。原因在于，这类金属的高磁导率会增强感应涡流和集肤效应。不仅如此，还有另外一种加热机制在发挥作用。这种材料的铁晶体被交变磁场反复磁化和消磁，导致磁畴快速来回翻转，引起磁滞损耗，进而产生更多热量。

感应加热在设计中的应用

由此可见，在感应加热过程中，工件和感应线圈之间不发生物理接触。因为这个原因，这种方法可被用于对清洁度要求极高的工艺，比如半导体制造。

不仅如此，由于热量是在工件内部产生，而不是先在其他位置产生，再作用于工件，因此这种加热方法非常高效。换句话说，通过感应加热，我们可以避免用于电连接的表面产生热损失，从而提高整体加热效率。

感应加热过程涉及两种不同类型的物理现象：电磁和传热。由于某些材料属性与温度相关，这意味着它们在受热时会发生改变。对于这种情况，您可以考虑将这两种物理现象进行耦合分析。

利用感应加热的创新设计

电磁炉便是利用感应加热的一种创新设计。在这一设计中，线圈放置在炉面下方，其电磁场作用在金属锅上。由于这种方式只能对高导电材料进行加热，因此金属锅会受热升温；然而，如果您将手放在炉面上，却并不会感到热。

在半导体工业中，人们也利用这一过程来加热硅材料。其他应用还包括密封、热处理、焊接，等等。

加热导致电能浪费的情况

尽管众多的产品和工艺都离不开感应加热技术带来的优势，然而在其中一种应用中，加热会造成电能的浪费：对于变压器而言，设计上很重要的一点是不让涡流通过磁芯内部。如果变压器的磁芯被涡流加热，那么不仅会浪费电能，还有可能导致更多问题，比如结构损伤。

发布日期：2014 年 11 月 6 日
上次修改日期：2017 年 2 月 21 日