Poruszający się magnes może ogrzać metal bez dotykania go
Kiedy magnes porusza się względem dobrego przewodnika, zmienny strumień pola indukuje w metalu prądy wirowe. Ponieważ przewodnik ma skończony opór elektryczny, przepływ prądu wydziela ciepło Joule’a. Jeżeli poruszamy magnes ręką nad miedzianą lub aluminiową płytą i czujemy elektromagnetyczny opór, wykonujemy pracę właśnie przeciw siłom związanym z tymi prądami. Energia mechaniczna jest ostatecznie zamieniana w energię wewnętrzną metalu. Zasada jest blisko spokrewniona z grzaniem indukcyjnym, choć praktyczne nagrzewnice używają szybkozmiennych pól wytwarzanych przez zasilane cewki, a nie ręcznie poruszanych magnesów.
Ciepło bez kontaktu mechanicznego
Do ogrzewania nie zawsze potrzebujemy tarcia dwóch dotykających się powierzchni ani bezpośredniego przepływu prądu z przewodu do grzanego elementu. Wystarczy, że zmienne pole wytworzy wewnątrz przewodnika prądy. Elektrony zderzają się z siecią krystaliczną tak samo jak przy zwykłym przepływie prądu przez rezystor, przekazując energię materiałowi.
Skąd biorą się prądy
Zmiana strumienia magnetycznego wiąże się z wirującym polem elektrycznym. W masywnym metalu pole to napędza lokalne zamknięte pętle prądu. Jeśli magnes przesuwa się nad płytą, obszary przed nim i za nim doświadczają innego tempa zmiany pola, więc rozkład prądów również się przesuwa. Są one realnym przepływem ładunku, mimo że do płyty nie podłączono żadnego przewodu.
Opór ruchu jest częścią bilansu energii
Prądy wirowe tworzą własne pole przeciwdziałające zmianie. Dlatego osoba przesuwająca magnes musi użyć większej siły, niż gdyby przewodnika nie było. Dodatkowa praca nie ginie: w przybliżeniu przechodzi w ciepło oporowe i niewielkie inne straty. To samo można odwrócić myślowo: jeśli przewodnik mocno się nagrzewa, źródło zmiennego pola musi dostarczać energię.
Dlaczego szybkie zmiany są skuteczniejsze
Ręczne przesuwanie magnesu zwykle daje niewielką moc cieplną. W grzaniu indukcyjnym cewka jest zasilana prądem zmiennym o odpowiedniej częstotliwości i może wytwarzać wielokrotnie powtarzające się zmiany pola. Dzięki temu w przedmiocie stale powstają prądy i może on nagrzewać się bardzo szybko. Częstotliwość wpływa także na rozkład prądu w głąb materiału przez efekt naskórkowy.
Nie każdy metal nagrzewa się tak samo
Wielkość strat zależy od przewodnictwa elektrycznego, geometrii, częstotliwości, grubości elementu i właściwości magnetycznych. W ferromagnetykach mogą dochodzić dodatkowe straty związane ze zmianami namagnesowania. Dlatego konkretne urządzenie indukcyjne projektuje się pod określony materiał i kształt, a prosta reguła „każdy metal grzeje się tak samo” byłaby błędna.
Hamulec i grzałka są bliskimi krewnymi
Jeśli głównym celem jest odebranie energii ruchu, nazywamy układ hamulcem prądów wirowych. Jeśli celem jest doprowadzenie energii do przedmiotu jako ciepła, mówimy o grzaniu indukcyjnym. Fizyczny rdzeń obu procesów jest ten sam: zmienne pole wywołuje prąd w przewodniku, a opór elektryczny zamienia część energii tego prądu w ciepło.
Dlaczego niczego nie ogrzewamy „samym magnesem” za darmo
Stały nieruchomy magnes i nieruchomy przewodnik nie dostarczają ciągle energii cieplnej. Potrzebna jest zmiana: ruch albo zasilanie cewki zmiennym prądem. Źródło tej zmiany wykonuje pracę i to ono zapewnia energię. Magnetyzm jest kanałem sprzężenia, który pozwala dostarczyć ją bez styku elektrycznego, ale nie omija zasady zachowania energii.
W kuchence indukcyjnej dodatkowo istotne jest sprzężenie cewki z dnem naczynia. Cewka sama może pozostawać chłodniejsza niż klasyczna grzałka, bo duża część ciepła powstaje bezpośrednio w garnku. Płyta szklana nagrzewa się wtórnie od naczynia. Nie oznacza to jednak, że każdy przewodnik jest równie dobrym garnkiem indukcyjnym: konstrukcja urządzenia jest zwykle zoptymalizowana pod materiały o określonych własnościach magnetycznych i elektrycznych oraz odpowiedniej geometrii dna.
Ta fizyka pozwala też rozumieć ogrzewanie elementów, których wcale nie chcemy grzać. Metalowy przedmiot przypadkowo pozostawiony w silnym polu zmiennym może przejmować energię przez indukowane prądy. Dlatego urządzenia indukcyjne kontrolują obecność naczynia, geometrię cewki i warunki pracy. Bezkontaktowy transfer energii wymaga równie starannego projektowania jak zwykłe połączenie przewodowe.