Icon up Overzicht

Inductiekoken (Exaktueel)

Onderwerp: Inductie en wisselstromen

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.

Columnist Marcel Möring schrijft in de Groene van 15 november 2018 dat hij na een verhuizing overstapt van koken op gas naar inductie. Een kennis vraagt hem of hij dan ook nieuwe pannen moet aanschaffen, maar hij denkt dat dat niet nodig is: zijn oude pannen zijn zo zwaar uitgevoerd dat je ze naar Mars kunt sturen en dan werken ze waarschijnlijk nog steeds, zegt hij.

De frequentie van de wisselspanning in de kookplaat is veel hoger dan de 50 Hz van het lichtnet, bijvoorbeeld 24 kHz.

Inductiekoken maakt gebruik van elektromagnetische inductie. In de kookplaat bevindt zich een spoel met veel windingen, die een magnetisch veld produceert zodra de stroom wordt ingeschakeld. Dat veroorzaakt een  magnetische flux door de bodem van de pan op de kookplaat. De bodem is feitelijk één winding.

a) Waarom zou men zo’n hoge frequentie gebruiken?

b) Waarom kun je  rustig je hand op een ingeschakelde kookplaat leggen?

c) Leg uit waarom het rendement van deze vorm van koken groter is dan bij gewoon elektrisch koken of koken op gas.

Möring denkt dat hij geen andere pannen nodig heeft. Zou dat zo zijn? We bekijken de verschillen tussen aluminium en ijzer.

d) Vergelijk de soortelijke weerstand van aluminium met die van ijzer.

e) Vergelijk ook de soortelijke warmte van aluminium met die van ijzer.

f) En tenslotte de dichtheid.

g) Terzijde: Hoe kun je met het moleculaire model van materie verklaren dat metalen met een kleinere dichtheid doorgaans een grotere soortelijke warmte hebben?

h) Beredeneer  welk gevolg dit verschil in de eigenschappen van aluminium en ijzer  heeft voor de temperatuurstijging in een aluminiumbodem vergeleken met een van ijzer, als verder alles hetzelfde zou zijn. Maak gebruik van de formules P = U2/R  (elektrisch vermogen van stroomdraad), Q = mcΔT (relatie tussen toegevoerde warmte en temperatuurstijging) en ρ = m/V (dichtheid).

Als dit het hele verhaal was zouden aluminiumpannen net zo geschikt zijn als ijzeren. Maar die kennis van Möring heeft een punt. In consumenteninformatie kunnen je lezen dat aluminiumpannen beslist ongeschikt zijn. De bodem van de pan moet (gedeeltelijk) van een ferromagnetisch materiaal zijn. Waar dat aan ligt gaan we uitzoeken.

IJzer is magnetiseerbaar. Het buitenste elektron van een ijzeratoom richt zich naar het externe magnetisch veld. IJzer behoudt zijn magnetisme, totdat het gedwongen van richting verandert.  Dit is een extra vorm van weerstand, die leidt tot vergrote warmteontwikkeling. Aluminium is niet magnetiseerbaar en dus treedt dit effect daar niet op (en bij koper net zo).

Daar komt nog iets bij. Het blijkt dat het wisselend magneetveld alleen in de onderste laag van het metaal doordringt. Deze zogenaamde ‘huiddiepte’ bedraagt zowel bij ijzer als aluminium of koper slechts enkele millimeters. Hoe kleiner de huiddiepte, hoe groter de weerstand van het deel van de panbodem waarin de inductiestroom kan lopen. Daarboven is het magnetisch veld afgeschermd.

Voor de stevigheid van de pan als geheel, maar ook voor een goede geleiding van de warmte, om een goed te reinigen binnenkant te krijgen en voor het tegengaan van beïnvloeding van de smaak van het voedsel, is de bodem van een speciaal voor inductiekoken geschikte pan opgebouwd uit meerdere lagen: een speciale soort roestvrijstaal die magnetiseerbaar is, gewoon roestvrijstaal, aluminium en roestvrijstaal.

i) Leg uit waarom het voor de werking van inductiekoken gunstig is dat huiddiepte klein is.

j) Wat zou je antwoorden als gezegd wordt “oude pannen zijn zo zwaar uitgevoerd dat je ze naar Mars kunt sturen en dan werken ze waarschijnlijk nog steeds“?