Kuchenka indukcyjna – tajemnice techniczne

W artykule pierwszym i drugim z tej serii omówiliśmy podstawowe informacje o kuchenkach indukcyjnych. Artykuł trzeci był przeznaczony dla dociekliwych elektroników. Teraz, w czwartym artykule, postaram się omówić najważniejsze tajemnice techniczne w sposób jak najbardziej przystępny.

W poprzednim artykule przedstawiłem pewne, zbyt uproszczone wyobrażenia, dotyczące kuchenek indukcyjnych i konieczności stosowania garnków z materiału ferromagnetycznego, które elektroników mogą wprowadzić w błąd. Odrzuciliśmy te zbyt uproszczone i nietrafne wnioski. Teraz spróbujemy zgłębić sedno, jakim jest zjawisko naskórkowości.

Zjawisko (efekt) naskórkowości

Każdy elektronik uczył się w szkole o naskórkowości. Mało kto potrafi dokładniej wyjaśnić skąd się bierze to zjawisko. Ale prawie każdy elektronik pamięta główne wnioski: naskórkowość polega na tym, że czym większa częstotliwość prądu, tym bardziej niechętnie prąd wnika w głąb materiału.

Prąd stały płynie w całej objętości przewodu, a prądy zmienne – nie, bowiem płyną tylko w grubszej lub cieńszej warstwie zewnętrznej, przy powierzchni, a nie we wnętrzu, co ilustruje rysunek 1.

Rezystancje dla prądu stałego możemy zmierzyć omomierzem. Jednak przy prądzie zmiennym wskutek efektu naskórkowości rezystancja będzie większa, bo mniejszy jest czynny przekrój, gdzie rzeczywiście płynie prąd. Można powiedzieć, że czym większa częstotliwość, tym na mniejszą głębokość prąd wnika w przewód.

Wiadomo, że przy częstotliwości 50 herców problemu praktycznie nie ma, bo głębokość wnikania jest rzędu centymetrów. Jednak przy częstotliwościach rzędu megaherców głębokość wnikania jest znikoma, rzędu kilku mikrometrów, więc prąd płynie tylko tuż przy powierzchni przewodnika. Prawie wszyscy wiedzą, że właśnie dlatego cewki w.cz. bywają srebrzone, by prąd płynął w cieniutkiej warstewce lepiej przewodzącego srebra. Prawie wszyscy wiedzą też, że przy wyższych częstotliwościach, dla zredukowania wpływu efektu naskórkowego, zamiast klasycznego drutu stosuje się albo licę, czyli wiązkę cieniutkich izolowanych przewodów, albo cienką taśmę.

Naskórkowość w kuchence indukcyjnej

I właśnie w kuchenkach indukcyjnych, które pracują przy stosunkowo niewielkich częstotliwościach od 24 kHz do powiedzmy 100 kHz, zjawisko naskórkowości zaczyna dawać o sobie znać. W tabelach przeczytamy, że głębokość wnikania w miedzi przy takich częstotliwościach wynosi mniej więcej 0,5 do 0,2 milimetra. Rysunek 2 pokazuje jak zmniejsza się głębokość wnikania ze wzrostem częstotliwości. Nie pokazuje, na ile wpływ na to ma temperatura.

Można byłoby się zastanawiać, na ile praca przy prądzie zmiennym o częstotliwości kilkudziesięciu kiloherców zwiększy rezystancję drutu, ale nie ma takiej potrzeby. Istotne jest, że w kuchence indukcyjnej ta kwestia daje już o sobie znać.

Fotografia 3 (z Aliexpress) pokazuje w zbliżeniu budowę nietypowej, płaskiej cewki indukcyjnej, przeznaczonej do kuchenek indukcyjnych. Widać wyraźnie, że nie jest wykonana klasycznym pojedynczym drutem, tylko właśnie uzwojenie wykonane jest licą, czyli przewodem, będącym splotem wielu cieniutkich izolowanych żyłek. Właśnie dlatego, żeby zmniejszyć wpływ zjawiska naskórkowości. Otóż prądy dużej częstotliwości nadal płyną tylko w cieniutkiej warstwie zewnętrznej i podzielenie przewodu na wiele cienkich, izolowanych żyłek zwiększa czynny przekrój, przez który płynie prąd. A to zmniejsza wypadkową rezystancję przewodu, a tym samym zmniejsza straty cieplne (P = I² × R).

Wróćmy też do fotografii 4, która już pojawiła się w pierwszym artykule i która zawiera interesujące nas teraz informacje. Tu też widać, że cewka nawinięta jest wielożyłową licą, ale co ważne, na górze jest podane, że są to przewody aluminiowe, miedziowane (copper clad aluminum wire). Aluminium jest wielokrotnie tańsze od miedzi, więc jest okazja by zaoszczędzić. Wydawałoby się, że prąd popłynie tylko w cienkiej zewnętrznej warstewce miedzi, a nie w aluminium.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze sierpniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.