Варочная индукционная панель

Варочная индукционная панель – это лучший помощник современного кулинара, основывающий принцип своего действия на открытии связи электрического тока и магнитной индукции. Цель этого обзора показать, как работает прибор. А основывается процесс на двух физических явлениях: перемагничивание и вихревые токи.

Место индукционных панелей в строю кухонной техники

Панель отличается от обычной плиты возможностью встраивания. Это плоская конструкция, содержащая некоторое количество конфорок. Заведомо предполагается, что хозяева имеют столешницу, либо готовы доработать имеющуюся кухонную мебель. Отверстие нужной формы вырезается электролобзиком, формируется фуганком, фрезером, прочим инструментом. Обычно по периметру панель имеет уплотнитель, позволяющий прибору прочно сесть на своё место. Дополнительный крепёж зачастую не требуется.

Встраиваемая техника хороша тем, что экономит место. Широко известно, что духовкой пользуется лишь малая часть домохозяек. Следовательно, тратить этот объем лишь для хранения посуды не всегда рационально, а обычная мебель смотрится в любом случае более стильно, нежели специальная кулинарная техника. Что касается цены, то разница зачастую прозрачна, гораздо больше внимание следует уделить размерам: обычно столешницы гарнитуров имеют слишком малую глубину, а ниже могут располагаться выдвижные ящики, что помешает процессу монтажа.

Современная варочная поверхность

Современная варочная поверхность

Издревле люди использовали огонь, но каков КПД такого метода? Кто-то на форумах решил подсчитать, сколько газа уходит на то, чтобы вскипятить один чайник воды. Результаты оказались так себе. В частности, если технические данные плитки говорили, о том, что мощность конфорки составляет 1 кВт, то с эмпирическими результатами это никак не совпадало. Человек создал целую тему, и кто-то заметил, что в расчётах не принимается во внимание КПД. Дело в том, что часть тепла улетучивается, и с этим ничего не поделаешь. Не говоря уже об инфракрасном излучении корпуса чайника в пространство.

КПД газовой плиты не может подняться выше 50% за очень редким исключением. Да, имеются модели, где отработанный воздух пускается по специальному ходу для прогрева соседних конфорок, но такие технологии, имитирующие принцип действия конденсационного котла скорее являются диковинкой. Скорее всего 90% читателей ни о чем подобном не слышали. А ещё сложнее такое оборудование отыскать в продаже. О цене умолчим вовсе.

Да, электрические плитки более продвинутые, и развивают высокие показатели, но по-настоящему хорошую службу несёт индукция. Она используется для плавления металлов, и на Ютуб можно увидеть ролик, где раскалённый бесформенный шар калёной стали висит в магнитном переменном магнитном поле: токи Фуко делают своё дело. Не удивительно, что магнитная индукция легко нагревает кастрюли и сковородки.

Но не только высокий КПД радует хозяев варочных индукционных панелей. Приборы отличаются высокой степенью безопасности. Керамический или стеклянный стол быстро остывает – стоит лишь только убрать кастрюлю. Тогда как переменное поле не оказывает никакого видимого действия на плоть и кожу человека. Даже если варочная индукционная панель по случайности работает, опершись на её стол сложно получить ожоги.

Мощность подогрева обычно регулируется частотой изменения магнитного поля рабочей катушкой. Хотя не исключены и более сложные алгоритмы, когда ток течёт пачками импульсов, и регуляцией скважности посылок изменяется степень отдачи тепла. Понятно, что для этого внутри индукционной панели должен присутствовать инвертор, формирующий нужные частоты. Диапазон, как правило, указывается в технических характеристиках, хотя не каждый производитель берет на себя такие заботы.

Индукционная поверхность

Индукционная поверхность

Немаловажную роль играют дополнительные опции. Многие приборы, оценивая суперпозицию полей, могут автоматически выключаться через некоторое время, если конфорки бездействуют. Широко известен случай, когда кухонный робот-уборщик заехал со столешницы на индукционную плиту и получил в результате повреждения несовместимые с жизнью. В ходе судебного процесса фирма-изготовитель пыталась доказать, что самоубийство было спланировано самими хозяевами: специально оставили прибор включённым. Если бы варочная индукционная панель могла выключаться автоматически, подобный эксцесс был бы исключён.

Читайте также:  Тиристор

Вихревые токи

В научной литературе считается, что вихревые токи были открыты в 1820 году. То есть примерно в то же время, когда Эрстед показал, что электричество может сдвинуть с места магнитную стрелку. Проблема работы с объектом повествования сводилась даже не к тому, что первый гальванометр изобрели несколькими годами позже: оценить амплитуду явления при помощи обычных средств измерения попросту невозможно. Первые вихревые токи, по-видимому, получил в 1824 году Араго, заметивший, что все та же магнитная стрелка реагирует на вращающийся рядом медный диск: переменное поле создавала наводки в проводнике, образующие собственное поле сил.

Но наш объект обсуждения носит гордое имя Фуко. Это ученик Араго, пытливым умом старавшийся проникнуть в тайну стрелки. Он первым заметил, что проводник ещё и нагревается под действием переменного магнитного поля. Но разгадку дал своей теорией в 1931 году Фарадей. Он объяснил явление наведением переменных токов, поскольку уже знал, как связаны две казалось бы разные материи. Читатели уже догадались, что сегодня это явление используется в варочных индукционных панелях. Вихревые токи образуются в ферромагнитных металлах и их сплавах под действием изменения магнитного поля. Их использование в технике весьма и весьма широко:

  1. Асинхронные двигатели по большому счету функционируют за счёт наведённых в роторе токов. Барабан из силумина пронизан медными проводниками в форме беличьей клетки, которые идут так, чтобы результирующая ЭДС складывалась. Пока есть разница между скоростью вращения поля и оборотами двигателя система стремится к равновесию. Но равенство не достигается в нормальном рабочем режиме.

    Конструкция панели

    Конструкция панели

  2. Для быстрой остановки двигателя применяют электромагнитное торможение. При этом ротор вращается в нормальном направлении, а магнитное поле – в противоположном. Что быстро приводит к нужному результату. Как известно, в роторе наводятся вихревые токи, взаимодействующие с полем.
  3. Схожим образом действует индукционная перекачка металлических расплавов. Вихревые токи создают поле, за которое так легко ухватиться насосу. В плоско-линейных индукторах нет движущихся частей, а производительность легко регулируется. Литейные заводы широко применяют эти методики для работы с цветными металлами.
  4. Токи высокой частоты текут преимущественно по поверхности проводника. В результате чего их плотность может достигать высоких значений. Это явление широко используется для поверхностной закалки металлов. Это требуется в тех случаях, когда при внешней твёрдости деталь не должна стать хрупкой: зубья шестерней, шейки валов и пр.
  5. Ещё в 1980 году инженеры Bose изобрели электромагнитную подвеску. Но те, где используются вихревые токи, скорее предназначены для гораздо более тонких систем. Это двигатели гироскопов прежде всего.
  6. Николу Тесла по праву можно считать отцом такого направления в медицине, как диатермия. Пропуская через своё тело токи высокой частоты, учёный показал их безвредность. Никола даже считал такое воздействие полезным. В частности, для кожи. А сегодня высокими частотами нагревают самые разные органы.
  7. Поле вихревых токов активно используется для разведки рудных месторождений. Поле высокой частоты изучается с целью оценки полезности и перспективности разработки. Схожие методы применяются для выявления мест залегания арматуры в стенах.
  8. На основе оценки поля вихревых токов основана дефектоскопия проволоки, труб, металлического профиля. Одновременно структура векторов напряжённости позволяет правильно выдержать геометрические размеры изделий.
Читайте также:  Энергосберегающая лампа

Вихревые токи далеко не всегда полезны. В сердечниках трансформаторов они вызывают значительные потери, приводящие одновременно к нагреву оборудования. Для усиления поля провод наматывают на ферромагнитный сплавы, и чтобы хоть как-то снизить эффект в электротехническую сталь добавляют до 4% кремния. Это в значительной мере повышает удельное сопротивление материала. Одновременно сердечник режут на тонкие пластины (вдоль линий напряжённости) и изолируют друг от друга слоем лака. Это называется шихтованием.

Не сложно теперь догадаться, почему посуда под варочную индукционную панель изготавливается из ферромагнитных сплавов. Хотя нет, ещё один факт остался за кадром. Дело в том, что магнитная проницаемость материала. Она является связующим между напряжённостью поля и образующейся в толще металла индукцией. Можно сказать, что ферромагнитный сплав является усилителем эффекта вихревых токов. Увеличивается индукция, растёт скорость её изменения, что прямо повышает ЭДС в металле. Любой может убедиться в этом, поставив на индукционную панель алюминиевую кастрюлю: нагрев сильно замедлится. Но не только вихревые токи влияют на процесс – имеется и ещё один фактор. И этот фактор – перемагничивание!

Перемагничивание металлов

В название семейства ферромагнетиков заложено их ключевое свойство. И таким качеством не обладают другие металлы. Речь идёт о способности намагничиваться. В трансформаторах и электродвигателях потери на тепло считаются паразитными. Приходится применять ферромагнетики, потому что они являются проводниками переменного поля, но всеми силами пытаются избавиться от нагрева.

Что касается варочных индукционных панелей, то здесь все наоборот. Учёные давно открыли, что потери на тепло можно оценить по кривым магнитного гистерезиса образца. Начальная кривая зависимости индукции от напряжённости поля имеет форму интеграла, слегка наклонённого вправо. Было сказано, что эти две физические величины связаны между собой через магнитную проницаемость материала, но характер графика не является линейным. Более того: при уменьшении напряжённости поля и изменении её направления кривая идёт по другому пути. Она тоже имеет форму интеграла, но немного отличается. Получается фигура наподобие стадиона с острыми зубцами в начальной и конечной точке. Это и есть то, что называется гистерезисом: различный путь прохождения процесса в прямом и обратном направлении.

Петля гистерезиса

Петля гистерезиса

Начальная кривая (при первом проходе) позволяет определить зависимость магнитной проницаемости материала от напряжённости поля. И потери на выделение тепла характеризуются площадью петли гистерезиса. Её находят интегрированием, или считают вручную, изобразив предварительно график на миллиметровой бумаге (оценка количества клеток внутри фигуры). Вот почему толстый диск ферромагнитного сплава всегда можно найти на дне посуды, специально предназначенной для использования в паре с индукционной варочной панелью.

И чем чаще поле меняет своё направление, тем выше и потери в петле гистерезиса. Но если в данном случае зависимость от частоты линейная, то вихревые токи определяются её квадратом. Это накладывает свою специфику. И на высоких частотах львиную долю нагрева вызывают именно вихревые токи. Но! С ростом частоты поле начинает активно излучаться в окружающее пространство, что совершенно недопустимо. Поэтому производитель находит золотую середину и старается по максимуму использовать эффект перемагничивания. Для оценки величины тепловых потерь на лабораторных работах график строят на осциллографе, и снимают буквально вручную для дальнейших исследований.

Важно. В связи со сказанным выше каждый должен знать, что людям с кардиостимулятором пользоваться варочной индукционной панелью опасно: кухонная техника может негативно повлиять на работу прибора жизнеобеспечения.