[科普中国]-高频加热

高频加热，即感应加热是一种利用电磁感应来加热电导体（一般是金属）的方式，会在金属中产生涡电流，因电阻而造成金属的焦耳加热。感应加热器包括一个电磁铁，其中会通过高频的交流电，若物体有较大的磁导率，也可能会因为磁迟滞现象的损失而产生热。使用的交流频率依欲加热物品的尺寸金属种类，加热线圈和欲加热物品的耦合程度以及渗透深度来决定。

电磁感应电磁感应（英语：Electromagneticinduction），是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。

迈克尔·法拉第是一般被认定为于1831年发现了感应现象的人，虽然FrancescoZantedeschi在1829年的工作可能对此有所预见。法拉第发现产生在闭合回路上的电动势和通过任何该路径所包围的曲面的磁通量的变化率成正比，这意味着，当通过导体所包围的曲面的磁通量变化时，电流会在任何闭合导体内流动。这适用于当磁场本身变化时或者导体运动于磁场时。电磁感应是发电机、感应马达、变压器和大部分其他电力设备的操作的基础。

定律感应电动势由法拉第电磁感应定律给出：

其中是单位为伏特的电动势，ΦB是单位为韦伯的磁通量。当趋近于零时，此式表示瞬时感应电动势，否则表示一段时间的平均感应电动势。

对于除了特殊情况外，一般来说，绕着同一区域有N匝回路的线圈，电磁感应的法拉第电磁感应定律表明

其中是单位为伏特的电动势，N是线圈匝数，ΦB是单位为韦伯的穿过一个回路的磁通量。

进一步的，楞次定律给出了感应电动势的方向如下：

电路上所诱导出的电动势的方向，总是使得它所驱动的电流，会阻碍原先产生它（即电动势）的磁通量之变化。

所以楞次定律决定了上面方程中的负号。

动生电动势导体以垂直于磁感线的方向在磁场中运动，在同时垂直于磁场和运动方向的两端产生的电动势，称为动生电动势。

动生电动势是由于导体中载流子在磁场中运动受到垂直于磁场和运动方向的洛仑兹力的作用，在导体内移动的结果。当洛仑兹力和导体内电势差产生的电场力平衡时，导体两端电动势稳定。此时：

是导体两端电动势，是磁感应强度，是产生电动势的两端的距离，是导体运动速度。

导体棒接入一个回路时，动生电动势也可以认为是由于导体运动，使得回路面积改变而使磁通量变化，产生的电动势。

感生电动势由于导体置于变化的电场而产生的电动势，称为感生电动势。变化的磁场会产生涡旋电场，导体中载流子在其中运动一周降低的电动势就是感生电动势，满足：

应用感应加热可以针对一些物件在特定的部分加热，可以应用在表面硬化、熔化、硬焊、软钎焊，以及加热物件来和其他物件配合。铁和钢因为其铁磁性的特性，对感应加热有最佳的反应，不过任何金属都会因为感应加热产生涡电流，而磁性材料则会产生磁滞现象。感应加热已被用来加热液态的导体（例如熔融的金属）及等离子的导体（例如感应等离子技术）。感应加热也可以用来加热石墨坩埚（其中放置其他材料），广泛的在半导体产业中加热硅或是其他半导体材料。电网频率(50/60Hz)感应加热因为不需要额外的逆变器产生其他频率的交流电，常用在许多低成本的工业应用中。

感应电炉感应电炉用感应的方式来熔化金属。在熔化后，高频的磁场也可以搅动金属，若是制作合金时可以确保加入的金属和原金属充份混合。大部分的感应电炉包括一个水冷的铜环，外层包着一层耐热材料。感应电炉比反射炉及高炉要环保，在熔化金属时，已经取代这二种生产方式，成为现代工厂常用的清洁生产方式。可加热金属的量从一公斤到数百公吨不等。在运行时，感应电炉多半会有高频率的嗡嗡声，依其工作频率而变。可以处理的金属包括铁及钢、铜、铝及贵金属。因为感应电炉是清洁的非接触制程，可以用在真空或是在惰性气体的环境中。有些特殊的钢或是合金在空气中加热会氧化，这类合金或钢就可以用真空电炉来生产。

感应电焊感应电焊是和感应电炉类似，但规模较小的加工方法。若塑胶中加入了铁磁性的颗粒（材料中磁滞的特性在感应时生热）或金属颗粒，也可以用感应电焊来焊接。

管件的缝隙也可以用此方式焊接。在缝隙附近引入的电流加热材料，最后产生可以焊接的高温。此时缝隙两侧的材料会受力互相接近，焊接缝隙。电流也可以用电刷传导到管件中，但结果是一样的，缝隙附件的材料加热而焊接。

电磁炉在电磁炉中，感应线圈加热锅具中铁制底部，铜、铝或其他非铁材料的锅具则不能配合电磁炉使用。电磁炉加热时，锅具底部的热会由热传导方式传导到食物中。电磁炉的好处有效率、安全性及速度。电磁炉有固定式的，也有移动式的。

感应硬焊感应硬焊一般会用在高产量的生产制程中，可以产生一致性的结果，而且有高度可重复性。

感应密封感应密封用在食品及制药业中，在瓶子或罐子的开口处放了一片铝箔，用感应的方式加热，使其和容器密合。这就形成一个防止更改内容物的密封，因为更改内容物需要破坏铝箔。

加热配合感应加热也可以用在组装时，将某一零件加热，以便和其他零件组合。轴承一般是用此方式，以电网频率(50/60Hz)加热，感应时有一个材料为叠层钢的变压器型芯穿过轴承中心。

热处理感应加热常用在金属件的热处理，最见的应用是钢件的感应硬化，为了结合金属件所做的硬焊及软钎焊，以及钢件中要软化部位的退火。

感应加热可以产生高的功率密度，可以在短的接触时间内达到要求的温度，可以调整磁场来精准调整要加热的部分，减少热变形及损坏。

上述的热处理可以用来作局部硬化，产生有不同性质的零件。常见的硬化应用是产生一块局部硬化耐蚀的区域，但又可以保持其他部分的韧性。可以调整感应频率、功率密度及接触时间来调整感应硬化的深度。

此制程在灵活性上有受限，因此在一些应用中需要制作特别的电感器，一般都很贵，而且需要在小的铜线电感中产生大的电流密度，需要特殊的工程技术及copper-fitting。

塑胶加工感应加热用在塑胶的射出机中，感应加热提高射出及挤出制程的能源效率。热直接在机器内部产生，减少暖机时间以及能量消耗。感应线圈可以放在隔热层的外部，因此可以在较低温下工作，延长寿命。工作频率一般由30kHz到5kHz之间，若机器越薄，工作频率越低。感应加热也可以用在模具中，提供更平均的模具温度，产品的品质也可以提高。2

细节感应加热用的电源一般是低电压大电流的交流电。要加热的工件放在由交流电驱动的电磁线圈中，一般会配合电容器，设置为LC电路以产生虚功率，交流磁场产生了工件中的涡电流。

磁性材料因为其磁滞现象，会加强其加热的效果。高相对磁导率（100–500）的材料也比较容易加热，磁滞发生在居里温度以下，此时材料仍维持原有的磁性质。工件在低于居里温度时的高磁导率相当的有用。温度差、比热及质量都会影响工件的加热。

感应加热的能量转换会受到线圈及工件之间距离的影响。能量的损耗包括有工作到夹具之间的热传导、热对流及热辐射。

感应线圈一般是用铜管制成，而且是用水冷冷却，直径、形式及绕线圈数影响效率及磁场造型。3

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所