Как объяснить, почему алюминий не подходит для индукционной плиты?

Принцип работы индукционной плиты заключается в создании поля в металле, из которого изготовлена посуда, так что возникающие в результате токи приводят к рассеиванию энергии.

В металле толщиной, скажем, от 3 до 10 мм, при достаточно низких частотах индуцированные поля возникают по всей поверхности металла.

По мере увеличения частоты зона нагрева смещается всё ближе к внешней поверхности металла из-за так называемого скин-эффекта.

Хорошее обсуждение в Википедии: «эффект домино».

В Википедии говорится:

• Эффект близости — это тенденция переменного электрического тока (AC) распределяться внутри проводника таким образом, что плотность тока максимальна у поверхности проводника и уменьшается по мере углубления в проводник. Электрический ток протекает в основном по «поверхности» проводника, между внешней поверхностью и уровнем, называемым глубиной скин-слоя. Эффект близости приводит к увеличению эффективного сопротивления проводника на высоких частотах, где глубина скин-слоя меньше, что приводит к уменьшению эффективного поперечного сечения проводника. Эффект скин-эффекта возникает из-за противодействующих вихревых токов, индуцируемых изменяющимся магнитным полем, возникающим в результате переменного тока. При частоте 60 Гц глубина скин-слоя в меди 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 магнитной проницаемости проводника. В случае с железом его проводимость составляет примерно 1/7 от проводимости меди. Однако, поскольку железо является ферромагнетиком, его магнитная проницаемость примерно в 10 000 раз выше. Это уменьшает глубину скин-слоя для железа примерно до 1/38 от глубины скин-слоя для меди, то есть примерно до 220 микрометров при частоте 60 Гц. Таким образом, железная проволока бесполезна для линий электропередачи переменного тока.

Такое сочетание свойств, которое приводит к высоким потерям в железе по сравнению с медью, делает его непригодным для линий электропередачи с низкими потерями, но при этом оно лучше подходит для создания индуктивных потерь и нагрева при использовании наилучших практически доступных технологий

Однако одним из факторов, влияющих на потери в материале, является частота переменного поля. С увеличением частоты глубина скин-слоя уменьшается, сопротивление проводящего материала соответственно увеличивается, а потери возрастают. Для меди глубина скин-слоя в зависимости от частоты изменяется, как показано в таблице ниже. :

Глубина обшивки в меди

[Таблица из Википедии. ]

В настоящее время на потребительском рынке силовые переключающие полупроводники ограничены максимальной частотой переключения около 100 кГц по экономическим соображениям. Частоты в этом диапазоне вполне подходят для нагревательных элементов кухонных плит. Обычно используются частоты в диапазоне от 20 до 100 кГц, при этом чаще всего встречается частота около 25 кГц.

Когда (или если) разработки в области полупроводниковых переключателей позволят экономически эффективно переключать питание на частотах от 1 до 10 МГц, глубина скин-слоя меди уменьшится примерно в 10–30 раз по сравнению с частотой 20 кГц. Это уменьшит глубину скин-слоя меди примерно до уровня 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 можно было разработать инновационные решения для нагрева на основе меди.

Медь в сравнении с алюминием / алюминием / алюминием *

Толщина алюминиевой оболочки примерно в 1,25 раза больше, чем у медной.

Удельное сопротивление алюминия примерно в 1,6 раза выше, чем у меди.

Таким образом, нагрев алюминия при той же частоте будет примерно на 25 % выше, чем у меди. Это достаточно близко к идентичности, учитывая все возможные эффекты второго порядка.

• Ре Алюминий / Aluminium / Aluminium -
  обвинять Сэр Хамфри Дэви :-)

Индукционная плита — это высокочастотный трансформатор. Первичная обмотка встроена в плиту, а вторичной обмоткой является дно кастрюли или сковороды, поставленной на плиту.

В принципе, такой трансформатор работает со всеми типами проводников во вторичной обмотке. Проблема в том, что во вторичной обмотке должно быть высокое электрическое сопротивление. Именно из-за высокого электрического сопротивления нагревается дно кастрюли или сковороды.

И здесь на первый план выходят алюминий и медь. Они являются хорошими проводниками и имеют низкое электрическое сопротивление.

Железо, напротив, обладает очень высоким электрическим сопротивлением из-за одной особенности: поскольку это ферромагнит, переменный ток может протекать только в очень тонком слое под его поверхностью. Это называется скин-эффектом. Опять же, этот скин-эффект проявляется у любого металла, но у железа он в 80 раз выше, чем у алюминия и меди. Так же как и сопротивление и тепловыделение.

Вот почему на дно кастрюли или сковороды нужно класть железный лист.