Induktionsherd

Schlagwörter: Induktion, Anwendung, Induktionsherd, induktives Kochen, Induktionsfeld

Ein Induktionsherd besteht im Wesentlichen aus einer Kupferspule, die von einem hochfrequenten Strom durchflossen wird. Der Topf, der auf dem Herd erhitzt werden soll, muss einen Boden aus ferromagnetischem Material besitzen. Die Platte zwischen Kupferspule und Topf (Ceranfeld) ist ein Isolator. Das Funktionsprinzip basiert auf der Induktion.

Die Netzspannung mit der Frequenz 50 Hz wird in einem Frequenzwandler auf eine Frequenz von 20 kHz bis 50 kHz umgewandelt. Der elektrische Strom ist stets von einem Magnetfeld umgeben. Da der Strom eine hohe Frequenz hat, ändert sich auch das Magnetfeld sehr hochfrequent. Das veränderliche Magnetfeld induziert im Topfboden eine Spannung. Die Induktionsspannung führt zu Wirbelströmen im Topfboden. Diese Wirbelströme erwärmen den Topfboden. Die Erwärmung des Topfbodens erfolgt sehr schnell, da die Wärme durch Wirbelströme direkt im Topfboden entsteht.

Wärmeabgabe

Das Ceranfeld wird nur indirekt durch die Wärmeabgabe des Topfes erwärmt. Im Gegensatz zum Elektroherd kann das Ceranfeld nicht wärmer werden als der Topf. Der Teil vom Spiegelei, der nicht in der Pfanne ist, wird nicht erwärmt.

Geeignetes Kochgeschirr: ferromagnetische Stoffe (Wenn sich ein Magnet und der Topfboden gegenseitig anziehen, dann ist der Topf für einen Induktionsherd geeignet.)

ungeeignet: Töpfe aus Aluminium, reine Edelstahltöpfe*, Glas- und Keramiktöpfe

(*reines Edelstahl ist auf Grund seiner Gitterstruktur nicht ferromagnetisch)

Warum wird die Netzfrequenz auf 20 kHz bis 50 kHz gewandelt?

Theoretisch würde der Induktionsherd auch bei einer Netzfrequenz von 50Hz funktionieren. Die Frequenzwandlung stellt dabei eine deutliche Optimierung des Prozesses dar. Dabei verstärken verschiedene Effekte die Effizienz des Induktionsherdes:

zum Skineffekt

Bei hochfrequenten Strömen tritt der Skineffekt auf. Bei einer Gleichspannung ist der Stromfluss im Leiter homogen verteilt. Bei zunehmender Frequenz findet der Stromfluss zunehmend an der Leiteroberfläche statt. Die Stromdichte nimmt zur Leitermitte hin ab. Damit dringen die magnetischen Wechselfelder nur noch geringfügig in das Innere des Topfbodens ein. Die Wärme kann von der Oberfläche schneller an die zu erwärmenden Kochgüter abgeben werden. Im Fall des Induktionsherdes (Material- und Frequenzabhängig) dringen die Wechselfelder nur noch 50 µm bis 300 µm tief in den Topfboden ein.

Dadurch, dass der Strom fast ausschließlich an der Leiteroberfläche stattfindet, reduziert sich der wirksame Leiterquerschnitt. Das führt zu einer zusätzlichen Erwärmung.

I_w – Wirbelströme

zur Ummagnetisierung

Der Topfboden besteht aus einem ferromagnetischen Stoff. Diese Stoffe bestehen aus vielen kleinen Elementarmagneten, den WEISSschen Bezirken. Ohne äußeres Magnetfeld sind diese WEISSschen Bezirke ungeordnet. Der Topf ist nach außen magnetisch neutral. Wirkt ein Magnetfeld auf den Topfboden, so richten sich diese WEISSschen Bezirke aus. Beim Ummagnetisieren wird zusätzliche elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. (vgl. HYSTERESE) Je höher die Frequenz des Stromes, desto häufiger wechseln auch die WEISSschen Bezirke ihre Richtung.

Wahl der Frequenz 20 kHz bis 50 kHz

Verschiedene Frequenzen sind für unterschiedliche Materialien der Topfböden mehr oder weniger gut geeignet.

Induktionskochfelder der Marke Miele arbeiteten bis 2010 mit variablen Frequenzen von 20 kHz bis 50 kHz. Benachbarte Kochfelder konnten dem jeweiligen Topf angepasst werden und mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Bei den unterschiedlichen Frequenzen konnten Störgeräusche durch Interferenzen auftreten (Schwebung). Seit 2010 arbeiten die Induktionsfelder der Firma Miele mit einer festen Frequenz von 26 kHz.

Gefahren

Beim Betrieb des Induktionsherdes entstehen starke magnetische Felder. Daher sollten elektronische Geräte und Speichermedien nicht in die unmittelbare Nähe des Induktionsherdes gebracht werden. In den Produktbeschreibungen von Induktionsherden werden auch Personen mit Herzschrittmachern explizit gewarnt.

Vorteile

Induktionskochfelder bieten mehrere deutliche Vorteile im Vergleich zu traditionellen Elektroherden.

Kochgut wird schneller warm
geringerer Energieumsatz
Sicherheit

zu 1. Kochgut wird schneller warm

Bei traditionellen Elektroherden wird erst das Kochfeld heiß. Diese Wärme wird dann von der Kochpatte über den Herdboden an das Kochgut weitergegeben. Schon die Erwärmung des Kochfeldes dauert eine gewisse Zeit. Gleiches gilt für die Übertragung bis hin zum Kochgut.

Bei Induktionsherden findet keine primäre Erwärmung des Kochfeldes statt. Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie geschieht direkt im Topfboden. Durch eine geeignete Wahl der Topfbodenmaterialien, kann die Wärme primär an der Innenseite des Topfes entstehen.

zu 2. geringerer Energieumsatz

Induktionskochfelder heben den energetischen Vorteil besonders bei kurzen Kochzeiten. Bei einem Elektroherd kann es 20 s bis 30 s dauern, bis das Kochfeld eine hohe Temperatur erreicht hat. In dieser Zeit fließt aber schon ein hoher Strom durch die Heizwendeln des Elektroherdes.

Nach dem Ausschalten wird beim Induktionsherd die weitere Erwärmung des Topfbodens sofort gestoppt, da keine Induktion mehr stattfindet. Das Kochfeld des Elektroherdes bleibt auch nach dem Ausschalten noch einige Minuten sehr heiß.

zu 3. Sicherheit

Ein versehentlicher Griff auf das Kochfeld des Elektroherdes kann zu schweren Verbrennungen führen. Auch das Induktionskochfeld erwärmt sich. Die Temperaturen sind aber deutlich geringer, da es sich hier um die vom Topf abgegebene Wärme handelt.

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