Как объяснить, почему алюминий не подходит для индукционной плиты?

Индукционная плита представляет собой высокочастотный трансформатор. Первичная обмотка встроена в плиту, вторичная обмотка – это дно поставленной на нее кастрюли или сковороды.

В принципе такой трансформатор работает со всеми типами проводников как вторичка. Проблема в том, что вы хотите иметь высокое электрическое сопротивление во вторичной обмотке. Потому что это высокое электрическое сопротивление — это то, что производит тепло внутри дна кастрюли или сковороды.

И вот тут алюминий и медь выпадают. Они являются хорошими проводниками и имеют низкое электрическое сопротивление.

Железо, напротив, имеет очень высокое электрическое сопротивление из-за одной особенности: переменный ток из его ферромагнитных материалов может протекать только в очень тонком слое под его поверхностью. Это называется скин-эффектом . Опять же, каждый металл демонстрирует этот скин-эффект , но у железа он в 80 раз выше, чем у алюминия и меди. А так же сопротивление и тепловыделение.

Вот почему вам нужен железный лист на дне кастрюли или сковороды.

Индукционная кулинария работает, индуцируя поле в металле емкости для приготовления пищи, так что результирующие токи вызывают рассеивание энергии.

Для металла толщиной порядка 3-10 мм при достаточно низких частотах индуцированные поля возникают по всему металлу.

По мере увеличения частоты зона нагрева занимает площадь, все более приближающуюся к внешней стороне металла из-за так называемого «скин-эффекта».
Хорошая дискуссия в Википедии здесь: « скин-эффект ».

Википедия говорит:

• Скин-эффект - это тенденция переменного электрического тока (AC) распределяться внутри проводника таким образом, что плотность тока наибольшая вблизи поверхности проводника и уменьшается по мере увеличения глубины проводника. Электрический ток протекает в основном по «коже» проводника, между внешней поверхностью и уровнем, называемым глубиной скин-слоя. Скин-эффект вызывает увеличение эффективного сопротивления проводника на более высоких частотах, где глубина скин-слоя меньше, что уменьшает эффективное поперечное сечение проводника. Скин-эффект возникает из-за противоположных вихревых токов, вызванных изменяющимся магнитным полем, возникающим в результате переменного тока. При частоте 60 Гц в меди толщина скин-слоя составляет около 8,5 мм. На высоких частотах глубина скин-слоя становится намного меньше.

и, что особенно важно:

• Глубина скин-слоя также зависит от обратного квадратного корня из проницаемости проводника. В случае железа его проводимость составляет примерно 1/7 проводимости меди. Однако, будучи ферромагнитным, его проницаемость примерно в 10 000 раз выше. Это уменьшает глубину скин-слоя для железа примерно до 1/38 толщины меди, что составляет около 220 микрометров при частоте 60 Гц. Таким образом, железная проволока бесполезна для линий электропередач переменного тока.

Эта комбинация свойств, которая приводит к большим потерям в железе по сравнению с медью, делает его бесполезным для линий электропередачи с низкими потерями, НО превосходит его по индуктивным потерям и нагреву при использовании наилучшей практически доступной технологии.

Однако одним из факторов потерь материала является частота переменного поля. По мере увеличения частоты глубина скин-слоя уменьшается, соответственно увеличивается сопротивление проводящего материала и увеличиваются потери. Для меди глубина скин-слоя зависит от частоты, как показано в таблице ниже. :

Глубина кожи в меди

[Таблица из Википедии. ]

В настоящее время полупроводниковые приборы для силовой коммутации на потребительском рынке ограничены максимальными частотами коммутации около 100 кГц по экономическим соображениям. Частоты в этом диапазоне вполне достаточны для нагрева оборудования для приготовления пищи. Типичные используемые частоты фактически находятся в диапазоне 20-100 кГц, при этом обычно используется около 25 кГц.

Когда (или если) разработки в области полупроводниковых переключателей позволят экономично переключать питание на частотах в диапазоне от 1 до 10 МГц, толщина медной оболочки будет уменьшена по сравнению с таковой на частоте 20 кГц примерно в 10–30 раз. Это уменьшило бы глубину скин-слоя меди примерно до глубины скин-слоя железа на частоте 20 кГц. Из-за более высокого удельного сопротивления железа потери и, следовательно, нагрев в меди будут по-прежнему ниже, но, вероятно, достаточно высоки, чтобы позволить разработать инновационные решения для нагрева на основе меди.

Медь по сравнению с алюминием / алюминием / алюминием *

Толщина скин-слоя алюминия примерно в 1,25 раза больше, чем у меди.
Удельное сопротивление алюминия примерно в 1,6 раза больше, чем у меди.
Таким образом, нагрев алюминия при той же частоте может быть примерно на 25% больше, чем у меди. Что достаточно близко к идентичному, учитывая все аффекты второго порядка, с которыми можно столкнуться.

• Re Alumium/Алюминий/Алюминий - виноват сэр Хамфри Дэви :-)