Gyorskeresés

Indukciós tekercses főzés, melegítés, olvasztás 3876

A nagy átmérőjű acél csővezetékek kanyarodó, íves elemeit nem eleve ívesre gyártják le, hanem egyenes csőből hajlítják. Ehhez a cső köré egy dróttekercset (ún. indukciós tekercset) helyeznek, ami nem ér hozzá a csőhöz. A tekercsbe nagy frekvenciás (nagyságrendileg $\mathrm{kHz}$) váltakozó áramot vezetnek, aminek gyorsan változó mágneses mezeje a csőben két effektust is okoz:

  • örvényes elektromos mezőt indukál, ami a csőben örvényáramokat kelt, melynek Joule-hője izzásig hevíti a cső azon rövid szakaszát, amit az indukciós tekercs épp körbevesz (Ez az effektus mindenféle vezető anyagban jelentkezik, vagyis ezen effektus szempontjából mindegy, hogy a cső anyaga alumínium, réz vagy acél. Szigetelő anyagú csövekben, mint amelynek a műanyagok vagy az üveg, a változó mágneses mező szintén kelt örvényes elektromos mezőt, de az nem tud örvényáramokat indítani, mivel a szigetelőkben nincsenek könnyen mozgatható töltések, amilyenek a fémekben a szabad/delokalizált/vezetési elektronok.) 
  • ha a cső anyaga ferromágneses (mint amilyen az acél), akkor az indukciós tekercs másodpercenként több ezerszer átmágnesezi a cső anyagát ilyen-olyan irányba, aminek során az energia egy része hővé alakul a cső anyagában (Szemléletesen ezt úgy képzelhetjük el, hogy az átmágneseződéskor az anyagban lévő kis elemi mágnesek (mágneses momentummal rendelkező elektronok) az átforduláskor megrántják a szomszédaikat, ezzel energiát adnak nekik át, de ez rendszertelen irányú, vagyis a részecskék hőmozgását növeli. Analógiaként képzeljük el, hogy az átmágnesezéskor egy, asztalon fekvő rúdmágnes fordul át ellentétes irányba. Az átfordítás során a súrlódási erő miatt az azstal felmelegszik: a befektetett energia végső soron hővé alakult át. Ezt másodpercenként több ezerszer megcsinálva, gyorsan dörzsölve az asztalt, az egész felforrósodik.)

Bár egyszerre mindkét effektus jelen van, az utóbbi erősebb. A kissé meglágyult keskeny csőszakaszon a cső hajlítható (persze azért csak kellően erős gépekkel). A módszer előnye (a gázlánggal melegítéshez képest), hogy így pontosan szabályozható a cső hőmérséklete: csak annyira melegítik fel (kb. $1000\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra), amennyire az elhajlításhoz épp szükséges. Ha ennél magasabb hőmérsékletre melegítenék fel, azzal az acél szilárdsági, rugalmassági és korrózióvédelmi tulajdonságai romlanának, több okból is:

  • a csőfalban a kristályszerkezet esetleg módusul
  • a magasabb hőmérsékleten egyre több kémiai rakció indul meg a levegőben található anyagokkal, melyek elszennyezik a cső anyagát
  • a hajlításkor a csőfal vékonyodása erősebben kilágyult anyag esetén jelentősebb

 Ugyanígy hajlítják meg a hullámvasutak, hidak, stadionok, repülőtér aulák stb acél szerkezeteinek íves elemeit is:

Ugyanezen elven működnek a konyhai indukciós főzőlapok is. Ezek belsejében egy rézdróttekercsbe nagyfrekvenciás $(20\unicode{x2013} 30\ \mathrm{kHz})$ váltakozó áramot vezetnek, ami gyorsan változó mágneses mezeje révén örvényes elektromos mezőt kelt. Mivel a ferromágneses anyagok átmágneseződése a jelentősebb hőfejlesztő effektus, ezért indukciós tűzhelyhez olyan edény szükséges, melynek aljában ferromágneses lap található. Emiatt egy rézedény, alumínium edény vagy egy egyszerű rozsdamentes (ami nem ferromágneses) edény nem alkalmas.

Az alábbi képen azt mutatják be, hogy a tűzhely sötét színű, üveg fedőlapját (mivel az sem ferromágneses), a változó elektromágnese mező nem hevíti (csak annyira melegszik fel, amennyire a hozzá érő lábas átmelegíti), ezért ott nem olvad meg a csokoládé. Ez az égési sérülések kockázata szempontjából előnye az indukciós tűzhelynek.

A fenti indukciós elvet használják a kis menyiségű fémek olvasztására készített kemencék is (ékszerészek, fogtechnikusok). Itt jellemzően $(50\unicode{x2013} 100\ \mathrm{kHz})$ frekvenciájú váltakozó áramot vezetnek a néhány menetes tekercsbe, ami örvényáramok keltése révén olvadásig forrósítja a kerámia edényben lévő fémdarabokat:

Rudak, csövek összehegesztésére is lehet használni az effektust:

Típus: