หลักการทำงานของเตาแม่เหล็กไฟฟ้า
หลักการทำงาน
เตาเหนี่ยวนำ ไฟฟ้า หรือเตาแม่เหล็กไฟฟ้า อาศัยความร้อนจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้า ที่ภาชนะที่เหนี่ยวนำไฟฟ้าได้ เช่น เหล็ก หรือเหล็กสเตนเลสบางชนิด อุปกรณ์ที่ไม่เหนี่ยวนำแม่เหล็ก จะไม่สามารถทำให้เกิดความร้อนได้ เช่นอลูมิเนียม แก้ว เซรามิค หรือเหล็กสเตนเลสหลายชนิด เตาแม่เหล็ก ไฟฟ้า ให้พลังงานความร้อนได้รวดเร็วกว่าเตาแบบธรรมดา และสูญเสียพลังงานน้อยกว่า เช่น ไม่มีความร้อนที่แผ่ไปในอากาศ เหมือนเตาความร้อนทั่วๆไป แต่พลังงานนั้นจะถ่ายทอดไปที่ตัวภาชนะโดยตรง ที่สำคัญคือความเสี่ยง หรืออันตรายจากการไหม้ ลุกติดไฟ ยังลดลง เพราะเตาได้ความร้อนจริงๆ จากตัวภาชนะอีกที
พลังงานความร้อนเกิดขึ้น มีต้นกำเนิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไปสร้างสนามแม่เหล็ก ที่เตาแม่เหล็กไฟฟ้า ขนาดกระแสไฟฟ้านี้จึงแปรผันตามความร้อนที่เกิดที่ตัวภาชนะ ตามหลักการเปลี่ยนรูปของพลังงาน ฉะนั้นการควบคุมความร้อนจึงสามารถทำได้ โดยควบคุมขนาดกระแสไฟฟ้า ที่ผ่านไปที่ขดลวดเหนี่ยวนำไฟฟ้า โดยเพิ่มหรือลดความต้านทานในวงจร อีกทั้งตรวจจับขนาดกระแสไฟฟ้า ที่ลดต่ำลงกรณียกภาชนะออก เพื่อปิดเตา โดยอัตโนมัติ
ความประหยัดพลังงาน
แม้ว่า เตาแม่เหล็กไฟฟ้า มีราคาแพงกว่าเตาขดลวดความร้อนไฟฟ้าทั่วๆไป แต่พลังงานที่ใช้ในการทำความร้อนนั้น ใช้เพียงแค่ครึ่งเดียว โดยเฉพาะประสิทธิภาพในการนำพาความร้อนนั้นมีสูงถึง 84% (จากการทดลองของ US Dept of energy) เทียบประสิทธิภาพเพียง 40-50% ของเตาแก๊สความร้อน และเตาขดลวดความร้อน เนื่องความร้อนที่เสียไปที่อากาศรอบๆ โดยไม่ได้ใช้งาน
การสร้างความร้อน
ความร้อนเกิดขึ้นได้จากสาเหตุ 2 ส่วน คือ
1. ส่วนแรกจาก magnetic hysteresis ความแม่เหล็กที่เปลี่ยนไปมาจากไฟฟ้ากระแสสลับนั้น ได้เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ที่ก้นภาชนะหุงต้ม ขนาดของความร้อนแปรผันโดยตรงกับพี้นที่ของ hysteresis loop พลังงานความร้อนส่วนนี้มีสัดส่วนประมาณ 7% หรือน้อยกว่าจากความร้อนที่เกิดทั้งหมด
2. ส่วนที่สอง หรือส่วนหลักของความร้อน เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น มีชื่อว่า eddy current ที่เกิดที่ก้นภาชนะ eddy currentg เกิดขึ้นเมื่อมีการเคลื่อนที่ผ่านไปมาระหว่างแผ่นโลหะที่เหนียวนำแม่เหล็กได้ กับสนามแม่เหล็ก จากกฎมือขวาในทางฟิสิกค์ (แรง, สนามแม่เหล็ก, กระแสไฟฟ้า)
ขนาดของ eddy current เมื่อลดต่ำลงเป็น 37% จากค่าเริ่มต้น ขนาดนี้เราเรียกว่า skin depth หาก skin depth มีค่าเป็น ¼ ของความหนาของก้นภาชนะ eddy current นี้จะถูกเปลี่ยนสภาพเป็นความร้อนทั้งหมด (เกือบ 97%) ที่ฐานก้นภาชนะ ซึ่งความร้อนที่เกิดนี้ จะถูกถ่ายทอดไปยังอาหารเกือบหมด มีส่วนน้อยมากๆ ที่ถ่ายไปยังเตา
สาเหตุหลักๆ ที่ภาชนะอลูมิเนียมไม่สามารถใช้ได้ เพราะ skin depth ของอลูมิเนียมมีค่าสูงประมาณ 12 mm ซึ่งจะต้องมีภาชนะหนาประมาณ 48 mm เพื่อทำให้เกิดความร้อนได้
การทำงานของเตาเหนี่ยวใช้การสร้างแหล่งจ่ายไฟความถี่สูง(โดยทั่วไปใช้ความ ถี่ในช่วง20-50kHz)แล้วป้อนให้ขดลวดเหนี่ยวนำซึ่งติดตั้งอยู่ใกล้กับตำแหน่ง ที่จะวางภาชนะ(ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ, ทดสอบได้โดยนำแม่เหล็กมาดูดดู) โดยขดลวดเหนี่ยวนำนี้จะทำหน้าที่เป็นเสมือนขดปฐมภูมิของหม้อแปลง สนามแม่เเหล็ก(เส้นแรงแม่เหล็ก)ความถี่สูงนี้จะตัดผ่านหรือพุ่งผ่านภาชนะ ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้า(ทำหน้าที่เป็นเสมือนขดทุติยภูมิของหม้อแปลง)ทำให้เกิด แรงเคลื่อนเหนี่ยวนำและมีกระแสทีเกิดจากการเหนี่ยวนำ eddy current (กระแสเอ็ดดี้)ขึ้น กระแสนี้จะไหลวนที่ก้นของภาชนะผ่านความต้านทานของเนื้อโลหะที่เป็นภาชนะทำ ให้เกิดความร้อนขึ้นตามสมการ I^2 x R สาเหตุที่ต้องใช้ความถี่สูงก็เนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงหรือ ฟลักซ์แม่เหล็กมีค่าสูงกว่าทำให้แรงเคลื่อนเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่ภาชนะมีค่าสูงและกระแสเอ็ดดีก็สามารถไหลได้มากขึ้น และการที่ภาชนะที่ใช้ต้องมีเหล็กเป็นองค์ประกอบก็เนื่องจากเหล็กมีค่าความซึมซาบ(Permeability)แม่เหล็กสูง ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็กที่ผ่านเนื้อเหล็กจึงสูง(โดยที่ไม่ต้องใช้ กระแสเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กสูงมาก) ความหนาแน่นที่สูงนี้ทำให้แรงเคลื่อนเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่ภาชนะมีค่าสูง ด้วยเช่นกัน (เป็นไปตามกฎของฟาราเดย์ที่ว่า e=N x d(Flux)/dt.....)
