Kaverini hankki induktiolieden ja sanoo ettei paluuta perinteiseen lieteen ole. Miksi se induktioliesi nyt on niin hyvä?

Fysikaalinen periaate sen taustalla nyt vain on niin paljon tehokkaampi. Lähdetään tarkastelemaan sitä miten induktioliesi toimii ja mitkä ovat keskeiset erot perinteiseen lieteen. 

Induktioliedessä levyn alla on käämi, jonka läpi kulkee vaihtovirta (Kuva 1). Käämi taas on johdin, joka on kiepitetty ympyrän muotoon. Tavallisen pistorasiasta saatavan vaihtovirran taajuus Suomessa on 50 Hz, mutta induktiolieden vaihtovirran taajuus on 25-50 kHz, eli lähes tuhat kertaa suurempi.

Kuva 1: Kaaviokuva induktiolieden toimintaperiaatteesta.

Käämin läpi kulkeva virta synnyttää ympärilleen magneettikentän. Koska kyseessä on vaihtovirta, virran suuruus ja suunta muuttuvat jatkuvasti, minkä vuoksi myös magneettikentän suuruus ja suunta muuttuvat jatkuvasti. Kun missä tahansa muuttuvassa magneettikentässä on johdin, sen päiden välille indusoituu jännite. Mikäli johdin muodostaa pienen silmukan, syntyneeseen suljettuun virtapiiriin myös indusoituu virta. Tässä tilanteessa tason päällä oleva metallisen kattilan voi ajatella olevan lukematon läjä pieniä johdinsilmukoita: nopeasti muuttuva magneettikenttä siten indusoi kattilan pohjaan pieniä pyörrevirtoja (Kuva 2).

Kuva 2: Nopeasti muuttuva magneettikenttä indusoi paistinpannun pohjaan pyörrevirtoja.

Vaikka pyörrevirrat nimensä mukaisesti kiertelevät metallin sisässä sikin sokin, metallin resistiivisyyden $\rho$ vuoksi sähkövirta kokee kaikkialla vastuksen, mikä lämmittää kyseistä kohtaa Joulen lain $p=\rho i^2$ mukaisesti ($p$ on lämmitysteho tilavuusyksikköä ja $i$ on virtatiheys pinta-alayksikköä kohden). Siten indusoituneet pyörrevirrat lämmittävät kattilan pohjaa, josta lämpö edelleen etenee valmistettavaan ruokaan johtumalla ja konvektiolla.

Kuva 3. Keraaminen liesi (vasemmalla) ja valurautaliesi (oikealla).

Miten tämä mekanismi sitten on parempi kuin perinteisessä liedessä?

Sähköliedessä virtaa ajetaan tavalla tai toisella sähkövastuksen läpi, joka kuumenee. Valurautaliedessä vastus lämmittää valurautaisen levyn, josta lämpö siirtyy kattilaan johtumalla ja säteilemällä. Jotkut keraamiset liedet saattavat hyödyntää lamppuja, joista lämpö osin johtuu, osin säteilee suoraan läpinäkyvän lasin läpi kattilan pohjaan.

Paremmuutta voi perustella lyhyesti näin: perinteiset mekanismit ovat tehottomampia, koska niissä lämpö syntyy ensin lieteen ja siirtyy kattilaan vasta sen jälkeen. Tehdäänpä pieni vertailu:

Ahaa! Eli induktioliesi ikään kuin hyppää yli vaiheen, jossa lämpö johtuu syntypaikastaan kattilan pohjaan.

Juuri niin. Induktioliedessä vesi tai ruoka alkaa lämpenemään välittömästi. Induktioliesi lämmittää kattilaa merkittävästi enemmän kuin liettä itseään. Levy itsessään siis kuumenee vähemmän; se kuumenee lähinnä sen päällä olevan kuuman kattilan vuoksi. Toisin sanoen sähköllä lämmitettävää massaa on vähemmän; pienempi lämpenevä massa tekee induktioliesistä myös energiatehokkaampia.

Lieden hankkinut kaverini ainoa harmitus oli, että kaikki vanhat kattilat eivät toimineet. Yksi rautapata toimi hyvin, mutta sen lisäksi piti ostaa kattiloita, jotka näyttivät ihan samoilta kuin ne vanhatkin. Miksi näin?

Perustelua varten meidän pitää tarkastella kattilamateriaalien fysiikkaan tarkemmin.

Kun kattilan pohjaan syntyy muuttuvia pyörrevirtoja, paikalliset muuttuvat virrat synnyttävät ympärilleen myös paikallisia muuttuvia magneettikenttiä. Nämä muuttuvat magneettikentät edelleen indusoivat jännitteen, joka kattilan pohjan ala- ja yläpinnalla on yhdensuuntainen pyörrevirtojen kanssa, ja pohjan sisässä pyörrevirroille vastakkaissuuntainen (Kuva 4). Näin sähkövirtoja syntyy lähinnä johteen pinnoille, niin kutsutun tunkeutumissyvyyden mitalta kappaleen sisään. Tätä ilmiötä kutsutaan virranahdoksi (skin effect). Virta kun tavallaan ahtautuu kulkemaan johteen pinnoilla aivan itsestään. Induktioliedelle ilmiö on toivottu, sillä sähkövirrat ahtautuvat pienempään tilavuuteen, mikä kasvattaa virtatiheyttä $i$ pinta-alayksikköä kohden ja sen myötä voimistaa Joulen lämmitystehoa $p=\rho i^2$ vieläkin voimakkaammin. (Analogisesti: sähköjohdon resistanssi kasvaa poikkipinta-alan pienentyessä.) 

Kuva 4: Virranahdon syntymekanismi. Voimistuva pyörrevirta $I$ synnyttää voimistuvan magneettikentän, joka kasvaessaan indusoi pyörrevirtoja $I_s$ materiaalin pinnoille. Pyörrevirrat pienentävät virtaa materiaalin sisällä ja voimistavat sitä pinnalla (tunkeutumissyvyyden paksuudelta).

Induktioliedelle sopivat kattilat, joilla virranahto on voimakasta ja tunkeutumissyvyys mahdollisimman pieni. Tunkeutumissyvyys puolestaan on pieni materiaaleissa, joissa on suuri magneettinen permeabiliteetti, eli ovat suomeksi sanottuna magneettisia. Tämä johtuu siitä, että materiaalin itsensä magneettisuus reagoi voimakkaasti muuttuvien pyörrevirtojen indusoimiin magneettikenttiin. Kaksi samannäköistä metallikattilaa saattavat siten soveltua induktioliedelle hyvin eri tavoin. Raudasta ja tietystä ruostumattomasta teräksestä tehdyt kattilat soveltuvat hyvin, alumiinista, kuparista ja magnetisoitumattomasta ruostumattomasta teräksestä tehdyt kattilat soveltuvat huonosti (Taulukko 1). Huonosti soveltuvissa kattiloissa tunkeutumissyvyys on suuri ja Joulen lämmitystä tapahtuu vähän, minkä liesi tunnistaa käämin itsensä induktanssin muutosten avulla; tällaisille kattiloille liesi saattaa tuottaa virheilmoituksen ja sammuttaa itsensä.

Taulukko 1: Induktioliesille sopivat materiaalit, joilla on pieni tunkeutumissyvyys ja suuri magneettinen permeabiliteetti.

Tämä selventääkin induktiolieden ideaa fysiikan kannalta, vaikka kaverini jo onnistui minut tekniikasta vakuuttamaankin. Harmi, että ne vaikuttavat olevan tuplasti sähköliesiä kalliimpia.

Se on yksi syy, minkä vuoksi induktioliedet ovat yleistyneet hitaasti. Induktiolieteen vaihtaminen voi maksaa turhan paljon, myös jos moni vanha kattila on siihen sopimaton.

Miten muuten induktioliesien turvallisuus käytössä?

Kurssin tarkoitus ei ole mainostaa induktioliesiä, mutta ovat ne kieltämättä myös turvallisia:

• Tyhjää liettä ei voi kuumentaa vahingossa (tai edes tahallaan)

• Liedellä ei muutenkaan voi vahingossa kärventää liedelle unohtunutta tavaraa, kuten talouspaperirullaa tai astiankuivauspyyhettä.

• Lieden pinta kuumenee vain sen verran mitä kattila sitä kuumentaa. 

• Lieden pinta jäähtyy nopeasti, koska lämmitettyä liesimassaa on vähän.

Induktioilmiö itsessäänkin on turvallinen, sillä kudosten vaste muuttuville magneettikentille on olematon. Nykyään induktiota hyödynnetäänkin arjessa siellä täällä, metallinpaljastimissa, sensoreissa, RFID-tekniikoissa, puhelinten langattomassa latauksessa sun muissa — unohtamatta tietenkään sähkögeneraattoreita, sähkömoottoreita, muuntajia ja muita perinteisiä sähkötekniikan sovelluksia!