Indukční ohřev vody
Pokus číslo: 1874
Cíl pokusu
Budeme demonstrovat využití jevu elektromagnetické indukce při ohřevu potravin na indukčním vařiči (indukční varné desce).
Teorie
Indukční vařiče a indukční varné desky využívají k ohřevu potravin – jak již jejich označení napovídá – rozsáhle využívaný jev elektromagnetické indukce. Pod sklokeramickým povrchem varné desky těchto spotřebičů je umístěna plochá cívka napájená vysokofrekvenčním střídavým proudem, který vytváří nad deskou periodicky proměnné magnetické pole. V souladu s teorií elektromagnetické indukce (přesněji tzv. Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce) způsobuje takovéto nestacionární pole vznik indukovaného elektromotorického napětí a indukovaných (tzv. vířivých) proudů ve vodiči, který je do něj vložen. Vloženým vodičem je zde dno hrnce, které se začne vlivem průchodu vznikajících vířivých proudů zahřívat a zprostředkovává tak ohřev potravin uvnitř hrnce.
Z uvedeného principu plyne, že primárně se v tomto případě neohřívá vlastní varná deska zařízení, ale pouze dno hrnce; teprve od něj se může plotna zpětně zahřát. Stejně tak je zřejmé, že není nutný fyzický kontakt plotny a hrnce – postačí, když se hrnec dostane do proměnného magnetického pole nad plotnou, dotyk není nezbytný. Oba tyto důsledky indukčního ohřevu potravin ukážeme v následujícím experimentu při vaření malého množství vody.
Pomůcky
Termovizní kamera, indukční vařič (resp. varná deska), hrnec s malým množstvím vody, držáky na uchycení hrnce nad deskou vařiče.
Postup
Do hrnce nalijeme malé množství vody (odhadem např. desetinu jeho výšky).
Upevníme hrnec do držáků nad varnou desku vařiče (obr. 1).
Zapneme indukční vařič a z boku sledujeme hrnec termovizní kamerou.
Vzorový výsledek
Vzorový průběh experimentu ukazuje video níže. Při jeho přípravě byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 24 °C až 45 °C, emisivita ε = 0,95.
Z videa je zřejmé, že indukční ohřev nevyžaduje přímý kontakt dna hrnce s plotnou vařiče. Pozorujeme, že nejdříve je růst teploty měřitelný v úrovni dna, teprve později v horní části hrnce; plotna přitom zůstává po celou dobu měření chladná – můžeme na ní klidně nechat položenou dlaň.
Technické poznámky
Drtivá většina dnešních indukčních vařičů funguje pouze s nádobím, které má feromagnetické dno; měděné či hliníkové hrnce, které mají jinak lepší tepelné vlastnosti, při indukčním ohřevu selžou. Přesněji – i v nich bude probíhat vznik vířivých proudů, které budou ale vzhledem k malé relativní permeabilitě těchto prvků řádově slabší než v případě feromagnetických látek a ohřev dna tak bude zanedbatelný. Rozhodně je nezbytné hrnec před experimentováním vyzkoušet!
Do hrnce stačí nalít skutečně malé množství vody, s hladinou do výšky několika milimetrů. V žádném případě ale nenechávejte hrnec prázdný – voda slouží jako chladivo zajišťující odvod tepla, bez ní může dojít ke zničení hrnce.
Jsou-li držáky hrnce feromagnetické, hlídáme, aby se během experimentu nedostaly do proměnného magnetického pole nad varnou deskou. V takovém případě by mohlo dojít k jejich rozžhavení a případnému narušení, event. roztavení jejich plastových dílů.
Bezpečnostní upozornění: Pokud chceme při experimentu pokládat ruku na varnou desku vařiče, musíme tak činit s maximální opatrností! Deska sice zůstává chladná, ale v její blízkosti se nachází rozpálené dno hrnce. V žádném případě nesmí být na ruce jakékoliv kovové (speciálně feromagnetické) předměty!
Metodické poznámky
Indukční vařič či indukční varnou desku mohou mít studenti doma ve své kuchyni, proto je velmi podstatné je upozornit, že tento spotřebič není primárně určen k experimentování a předvedené pokusy lze doma opakovat jen s dodržením bezpečnostních zásad uvedených výše a vždy za dohledu dospělých osob, rodičů.
Využití indukčního ohřevu není běžné pouze v kulinářství, ale například také při zpracování kovů, kdy lze pomocí velkých proudů velmi rychle (v řádu jednotek sekund) prohřát masivní kovové předměty – pro ilustraci jsou zde přiložena dvě videa pocházející ze serveru YouTube:
Další náměty na experimenty s indukčním vařičem obsahují Pokusy s indukčním vařičem nebo článek Petera Žilavého Tajemství indukčního vařiče publikovaný v roce 2008 v rámci konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 13 pořádané Fakultou pedagogickou Západočeské univerzity v Plzni.
Základy práce s termovizní kamerou - odkaz na PDF
Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.
