Tajemství indukčního vařiče
Indukční vařič je dnes snadno dostupným elektrickým spotřebičem. Jak pracuje? Proč na něm nelze použít hliníkové nádobí? A jaké pokusy s ním lze předvést (nejen) v hodině fyziky? Praktické hledání odpovědí na tyto i další otázky je obsahem tohoto příspěvku.
Úvod
Před několika lety se v nabídce supermarketů i internetových obchodů (např. [1]) objevil nový pomocník do domácnosti – indukční vařič. V komentáři prodejce na jeho internetových stránkách (stejně jako v návodu k použití přístroje [2]) se můžeme dočíst:
Základ indukčního vařiče, jak je již z názvu patrné, tvoří indukční cívka (elektromagnet) umístněná pod keramickou deskou. Spolu s kovovým dnem nádobí vytváří elektromagnetický obvod, díky němuž indukční vařič vlastně ohřívá jen dno nádoby (98% elektrické energie je přeměněno na teplo). Při využití běžného elektrického ohřevu (plotýnkový vařič, běžná sklokeramická varná deska) přechází vyrobené teplo kovovou či sklokeramickou deskou a až potom se odevzdá dnu hrnce, ve kterém vaříte. Každým předáváním tepla vznikají obrovské ztráty.
Indukční vařič, na rozdíl od všech ostatních, nevydává teplo, a proto nepřipálí žádné potraviny! Vaření je o mnoho rychlejší a úspornější než všechny ostatní používané metody.
Indukční vařič – nádobí
Při vaření na indukčním vařiči je třeba používat nádobí z vodivého zmagnetizovaného materiálu jako je litina, smalt a jiné speciální nádoby a zároveň musí mít nádoba rovné dno (velikost dna nádoby 12-30 cm). Vaření je zcela bezpečné, neboť povrch varné desky zůstává i při ohřevu chladný.
www.tvproducts.cz
Kromě pasáže o nepřipalování potravin zaujme každého alespoň trochu fyzikálně myslícího člověka část návodu věnovaná nutnosti použití speciálního zmagnetizova(tel)ného nádobí. Proč nelze použít např. hliníkové nádobí, když proměnné magnetické pole vytvoří v hliníku stejně dobře vířivé proudy jako např. v železe? Je důležitý požadavek feromagnetického materiálu hrnců? Lze indukční vařič použít v hodině fyziky na předvádění demonstračních pokusů? Experimentálně zjištěnou odpověď na tyto otázky nabízí další odstavce.
Popis přístroje
Popisovaný indukční vařič má sklokeramickou desku, pod kterou se skrývá vzduchová plochá cívka (hustě vinutá spirála) nalepená na plastovém podkladu. Cívka je napájena impulsy o frekvenci přibližně 30 kHz (měřeno jednozávitovou smyčkou na sondě osciloskopu přiblíženou k cívce).
Obr. 1: Pohled do vařiče
Základní obsluha vařiče je jednoduchá – poté, co na sklokeramickou desku vařiče postavíme (neprázdný) hrnec, stiskem tlačítka ON/OFF vařič zapneme a po ukončení vaření také vypneme. Výkon vařiče lze upravit tlačítky s vyobrazením šipek. Nikdy neohříváme prázdný hrnec – velmi rychle dojde k jeho ohřátí na vysokou teplotu a k jeho možnému poškození.
Pokud zapneme vařič bez hrnce, po malé chvilce se na displeji objeví chybové hlášení, zazní zvukový signál (pípání) a vařič se vypne. Stejným způsobem se vařič zachová, pokud se na něj postaví „nevhodné“ nádobí. Pokud se o to moc nesnažíme, vařič se ochrání sám před špatnou manipulací.
Zkoumání indukčního vařiče
Na vařič jsem postavil železný (plechový) smaltovaný hrnec s cca 0,05 l vody (na pokrytí dna) a zapnul vařič (stupeň „1200 W“). Voda se po krátké chvilce (10–15 sekund) dostala do varu. Tímto byla ukázána základní funkce vařiče.
Předchozí „pokus“ jsem po chvilce zopakoval s tím, že jsem hrnec postavil na vařič přes dřevěnou mřížku vysokou asi 1cm (jaká se pokládá na stůl, když se na něj chce dát něco horkého) resp. přes stejně silnou vrstvu pěnového polystyrénu. Voda se opět rychle dostala do varu. Bezprostředně po odebrání hrnce i mřížky (polystyrénu) je možno rukou zkusit teplotu sklokeramické desky vařiče – je studená. V případě indukčního vařiče nedochází k transportu tepla vedením či sáláním, vířivé proudy indukované v materiálu hrnce jej Jouleovým teplem ohřívají přímo.
Místo mřížky jsem pod hrnec dal silný hliníkový plech (hrnec jsem postavil do hliníkové pánve nebo hliníkového spodku od Remosky) a opět zopakoval předchozí – vařič ohlásil chybu a začal pípat. Stejně se zachoval, když jsem dal do pánve pouze vodu a zapnul vařič (když jsem se pokusil použít standardním způsobem hliníkové nádobí). Pokus ukázal, že vařiči „vadí“ přítomnost dobře vodivého silného hliníku (hlásil chybu, i když v pánvi byl vložený železný hrnec).
Vrátil jsem se k železnému hrnci (už bez dřevěné mřížky), pod něj jsem dal na celou plochu alobal. Po zapnutí se spíše ohříval alobal, než hrnec nad ním – voda se ohřívala znatelně pomaleji, po sundání hrnce i alobalu byla sklokeramická deska od něj hodně teplá. Zkusil jsem dále položit na vařič pouze alobal – po zapnutí vařiče se vznesl. A nebylo to teplým vzduchem! (Vzpomeňte si například na školní pokus s hliníkovým prstencem na demonstraci Lenzova zákona…) Když jsem pak samotný alobal (bez chlazení hrncem) přidržel na desce vařiče, rozžhavil se místy do bílého žáru, začal se tavit a jiskřit. Zdá se, že tenký alobal nezatížil vařič natolik, aby jej vestavěná ochrana vypnula.
Dále jsem na vařič postavil hrnec z neferomagnetické nerezové oceli (vyzkoušeno magnetem) bez sendvičového dna (obyčejný plech). Voda se opět bez problémů uvařila.
Pak jsem totéž zopakoval ještě s „luxusním“ nerezovým hrncem se sendvičovým dnem (které zřejmě obsahuje masivní hliník kvůli rozvádění tepla), vařič ohlásil chybu a začal pípat.
Pokud se plechový nerezový nebo železný hrnec s trochou vody podrží „v prstech“ nad zapnutým vařičem, je znatelně cítit jeho nadlehčování. Podobně jako to bylo v případě alobalu.
Z uvedených pokusů plyne, že hrnec ohřívají především v materiálu indukované vířivé proudy (spíše než hysterezní ztráty či jiné mechanizmy – funguje to i na vodivé neferomagnetické materiály). Materiál hrnce ale nesmí být příliš vodivý – jinak je vařič příliš zatížen a jeho ochrana jej vypíná. Když přiblížíte hliníkovou pánev (hrnec) k cívce indukčního vařiče, je to, jako byste u transformátoru zkratovali sekundární vinutí. I primárním vinutím pak teče mnohem větší proud, který může transformátor zničit. Vařič má pro tento případ vestavěnou ochranu, která to pozná, odpojí napájení cívky a vypíše chybové hlášení na displeji (stejně tak vypíše chybové hlášení, když na vařiči není hrnec - když na "sekundární" straně není odběr).
Upozornění: použití více vrstev alobalu (vyzkoušeno s osmi) vedlo ke zničení tranzistoru spínajícího proud do cívky vařiče. Tato závada je opravitelná.
Pokusy s indukčním vařičem v hodině fyziky
Předchozí pokusy s hrnci mne inspirovaly k několika dalším pokusům demonstrujícím některé základní jevy z oblasti elektromagnetismu:
Levitace měděného prstence
Měděný vodič o průřezu 1 mm2 jsem stočil do tvaru kružnice o průměru asi 10 cm a uzavřel pomocí šroubovací instalatérské svorky (vnitřku „čokolády“). Na vařič jsem položil malý plechový hrnek s trochou vody (abychom jej nepřehřáli) a kolem něj vytvořený měděný prstenec. Po zapnutí vařiče se díky magnetickým silám působícím na prstenec s indukovaným proudem tento prstenec vznesl. Pokus neprovádíme dlouho, prstenec se silně zahřívá (pokud byl použit izolovaný vodič, dojde k roztečení izolace, ze stejného důvodu není vhodné uzavřít prstenec pájením). Hrnek v tomto případě slouží jako „spotřebič“ pro indukční vařič, aby jej nevypínala ochrana.
Vařič jako transformátor
Prstenec z předchozího pokusu rozpojíme (nebo vytvoříme nový) a do tohoto místa vřadíme objímku se žárovičkou 6 V (např. 0,1 A). Vznikne tak vlastně cívka tvořená jedním závitem, která napájí žárovičku. Poté, co závit položíme na desku vařiče a nad něj (opět kvůli „obelstění“ ochrany vařiče) přiblížíme plechový hrnec s trochou vody, se žárovička rozsvítí. Vytvořili jsme vlastně transformátor. Primární vinutí tvoří plochá cívka indukčního vařiče, sekundární cívkou je závit z měděného drátu se žárovkou. Díky velké frekvenci změn magnetického pole nepotřebujeme ani magnetický obvod, který magnetické pole „dopraví“ k sekundární cívce.
Obr. 2: Pomůcka k demonstraci
Pokus s malou žárovičkou jsem úspěšně zopakoval i se žárovkou 24 V/100 W (aby byl pořádně vidět na celou třídu). Žárovku 24 V/100 W lze koupit v každém velkoskladu elektro. K tomu jsem navinul na průměr 11 cm (lze použít např. odpadovou instalatérskou trubku) z izolovaného vodiče o průřezu 1 mm2 cívku o čtyřech závitech, kterou jsem přímo připojil k velké objímce se žárovkou.
Lze použít i žárovku 230 V/100 W, cívka ovšem musí mít 40 závitů (všimněte si, že to odpovídá indukovanému napětí přibližně 6 V na závit). Cívka musí být vinuta z tenčího vodiče (vyhoví například vodiče z rozpleteného kabelu datových sítí nebo tenčí zvonkový drát) aby její závity byly po položení na desku vařiče nejvýše 1 cm nad jejím povrchem. Pokud však použijeme příliš tenký (smaltovaný) drát, může dojít k jeho přepálení indukovaným proudem.
Při předvádění pokusu dbáme zvýšené opatrnosti, nyní (i když má cívka „pouze“ 40 závitů) už pracujeme s nebezpečným indukovaným napětím! Dotýkáme se pouze objímky, nikoli vodičů, které nemají dostatečnou izolaci.
Obr. 3: Pomůcka k demonstraci
Poslední experiment jsem také vyzkoušel s největší snadno dostupnou žárovkou 230 V/0,5 kW. Použil jsem stejnou cívku, jako v předchozím případě (40 závitů), k žárovce však potřebujeme větší objímku (závit E40). Pro rozsvícení žárovky opět přiblížíme k desce vařiče plechový hrnec s vodou, po jeho oddálení však již žárovka zůstane svítit – příkon žárovky je již dostatečný k tomu, aby cívku se žárovkou vařič „vyhodnotil“ jako řádný hrnec ležící na jeho povrchu.
Obr. 4: Pomůcka k demonstraci
Závěr
Pro vaření na indukčním vařiči lze použít nerezové nebo železné (smaltované) nádobí neobsahující dobře (elektricky i tepelně) vodivou hliníkovou vrstvu. Ohřev je způsoben vířivými proudy indukovanými přímo v materiálu hrnce, nádobí rozhodně nemusí být „zmagnetované“ (jak píše návod k použití) a nemusí být ani z feromagnetického materiálu.
Uvedené pokusy jsou jen inspirací k celé řadě dalších experimentů, které lze s indukčním vařičem provést. Dostupný výkon vařiče umožňuje provádět efektní pokusy, při řadě z nich je však nutné dbát zvýšené opatrnosti. Zvláštní upozornění: pozor na vodivé prstýnky na rukou, pokud s nimi manipulujete v bezprostřední blízkosti (jednotky centimetrů) desky zapnutého vařiče. Krátkodobé působení magnetického pole vařiče na ruce není nebezpečné, vhodně natočený dobře vodivý prstýnek však vařič umí zahřát na vysokou teplotu během několika sekund.
Literatura
[2] Indukční vařič – návod k použití (dodáváno s přístrojem)