¿Cómo explicar por qué el aluminio no funciona en una estufa de inducción?

Los cocineros que usan rangos de inducción los aman, pero algunos lamentan el tipo limitado de sartenes disponibles . Por desgracia, mis poderes de explicación no son lo suficientemente buenos como para explicar cómo funciona una estufa de inducción lo suficientemente bien como para explicar por qué el aluminio no es adecuado.

Ahora creo que podría construir uno, pero aparentemente no puedo explicarlos simplemente.

Una estufa de inducción es un transformador de alta frecuencia. El devanado primario está integrado en la estufa, el devanado secundario es el fondo de la olla o sartén colocado sobre él.

En principio, dicho transformador funciona con todo tipo de conductores como el secundario. El problema es que desea tener una alta resistencia eléctrica en el secundario. Porque esa alta resistencia eléctrica es lo que produce el calor dentro del fondo de la olla o sartén.

Y aquí es donde abandonan el aluminio y el cobre. Son buenos conductores y tienen una baja resistencia eléctrica.

Por el contrario, el hierro tiene una resistencia eléctrica muy alta debido a una característica especial: debido a que sus corrientes de CA ferromagnéticas solo pueden fluir en una capa muy delgada debajo de su superficie. Esto se llama efecto de la piel . Una vez más, cada metal muestra ese efecto en la piel , pero para el hierro es 80 veces mayor que para el aluminio y el cobre. Y también lo es la resistencia y la producción de calor.

Es por eso que necesitas una lámina de hierro en el fondo de tu olla o sartén.

La cocción por inducción funciona al inducir un campo en el metal del recipiente de cocción para que las corrientes resultantes causen la disipación de energía.

Para metales del orden de 3 a 10 mm de espesor, a frecuencias suficientemente bajas, los campos inducidos se producen en todo el metal.

A medida que aumenta la frecuencia, la zona de calentamiento ocupa un área cada vez más cerca del exterior del metal debido a lo que se conoce como 'efecto de piel'.
Buena discusión de Wikipedia aquí: " efecto de piel ".

Wikipedia dice:

• El efecto de la piel es la tendencia de una corriente eléctrica alterna (CA) a distribuirse dentro de un conductor de modo que la densidad de corriente sea mayor cerca de la superficie del conductor y disminuya con mayores profundidades en el conductor. La corriente eléctrica fluye principalmente en la "piel" del conductor, entre la superficie exterior y un nivel llamado profundidad de la piel. El efecto de la piel hace que la resistencia efectiva del conductor aumente a frecuencias más altas donde la profundidad de la piel es menor, reduciendo así la sección transversal efectiva del conductor. El efecto de la piel se debe a las corrientes de Foucault opuestas inducidas por el campo magnético cambiante resultante de la corriente alterna. A 60 Hz en cobre, la profundidad de la piel es de aproximadamente 8,5 mm. A altas frecuencias, la profundidad de la piel se vuelve mucho más pequeña.

y, crucialmente:

• La profundidad de la piel también varía según la raíz cuadrada inversa de la permeabilidad del conductor. En el caso del hierro, su conductividad es aproximadamente 1/7 de la del cobre. Sin embargo, siendo ferromagnético, su permeabilidad es aproximadamente 10,000 veces mayor. Esto reduce la profundidad de la piel del hierro a aproximadamente 1/38 la del cobre, aproximadamente 220 micrómetros a 60 Hz. Por lo tanto, el cable de hierro es inútil para las líneas de alimentación de CA.

Esta combinación de características, que conduce a grandes pérdidas de hierro en comparación con el cobre, lo hace inútil para líneas de transmisión de potencia de baja pérdida PERO superior por causar pérdidas inductivas y calentamiento cuando se utiliza la mejor tecnología prácticamente disponible.

Sin embargo, uno de los factores en las pérdidas de material es la frecuencia del campo AC. A medida que la frecuencia aumenta, la profundidad de la piel disminuye, la resistencia del material conductor aumenta en consecuencia y las pérdidas aumentan. Para la piel de cobre, la profundidad con frecuencia varía como se muestra en la tabla a continuación. :

Profundidad de la piel en cobre

[Tabla de Wikipedia. ]

En la actualidad, los semiconductores de conmutación de potencia del mercado de consumo están limitados a frecuencias de conmutación máximas de alrededor de 100 kHz por consideraciones económicas. Las frecuencias en este rango son completamente adecuadas para calentar equipos de cocina de hierro. Las frecuencias típicas en uso están, de hecho, en el rango de 20-100 kHz, siendo comunes alrededor de 25 kHz.

Cuando (o si) los desarrollos en los interruptores de semiconductores permiten una conmutación de potencia económica a frecuencias en el rango de 1 a 10 MHz, las profundidades de revestimiento de cobre se reducirán, en comparación con las de 20 kHz en un factor de aproximadamente 10 a 30 veces. Esto reduciría la profundidad de la piel de cobre a aproximadamente la de hierro a 20 kHz. Debido a la mayor resistividad del hierro, las pérdidas y, por lo tanto, el calentamiento en cobre seguirían siendo más bajos, pero probablemente lo suficientemente altos como para permitir el desarrollo de soluciones innovadoras de calentamiento a base de cobre.

Cobre en comparación con aluminio / aluminio / aluminio *

La profundidad de la piel de aluminio es aproximadamente 1.25 x la del cobre.
La resistividad del aluminio es aproximadamente 1,6 veces la del cobre.
Por lo tanto, el calentamiento de aluminio a la misma frecuencia es probable que sea aproximadamente un 25% más que para el cobre. Lo cual es lo suficientemente cercano a idéntico dado que todos los efectos de segundo orden pueden ser encontrados.

• Re Alumium / Aluminio / Aluminio - culpa a Sir Humphry Davy :-)