Bếp từ hay là cảm ứng từ

Dân gian gọi nó là bếp từ, nấu được đủ thứ nhưng hay nhất là nấu lẩu. gọi chính xác hơn nhưng không ngắn gọn bằng thì đó là bếp cảm ứng (induction cooker).

Vậy bếp từ làm việc theo nguyên lý nào?

Dưới mặt mỗi bếp là một hay nhiều cuộn dây có lõi là vật liệu sắt từ. Khi có dòng điện xoay chiều tần số cao (cao hơn tần số 50Hz của điện xoay chiều dùng trong sinh hoạt, nhưng thấp hơn nhiều so với tần số cỡ hàng chục triệu Hz ở lò vi sóng) đi qua các cuộn dây, chúng sinh ra từ trường xoay chiều cùng tần số. Người ta bố trí lõi từ và các cuộn dây sao cho từ trường xoay chiều sinh ra đó khép kín từ cực này sang cực kia và là là sát với bề mặt phẳng của bếp. Nếu trong phạm vi có từ trường xoay chiều đó, nghĩa là mặt bếp có vật làm bằng chất sắt từ, thí dụ đáy của nồi thì có các hiện tượng vật lý sau đây xảy ra.

1. Bộ phát sóng cung cấp dòng điện xoay chiều tần số cao cho cuộn dây điện, tạo ra từ trường xoay chiều.

2. Từ trường xoay chiều sinh ra dòng điện xoáy ở nồi có lớp vật liệu sắt từ. Lớp này trực tiếp nóng lên.

3. Nhiệt sinh ra ở lớp sắt từ truyền vào nước, thức ăn, đun nóng lên.

4. Không có nhiệt mất mát ra bên ngoài nồi nấu.

- Vì vật liệu sắt từ là vật dẫn điện nên khi nằm trên từ trường xoay chiều (biến đổi nhanh) thì vật dẫn có dòng điện xoáy tức là dòng điện Foucault. Dòng điện xoáy làm nóng vật dẫn theo hiệu ứng Joule. Tuy nhiên nếu là vật dẫn đơn thuần, điện trở nhỏ, nhiệt sinh ra không lớn lắm, nóng ít.

- Ở vật liệu sắt từ có hiện tượng từ trễ. Nhưng trước hết ở vật liệu sắt từ có các miền từ hoá tự nhiên. Mỗi miền từ hoá tự nhiên như là một nam châm con sinh ra từ trường theo một hướng nào đó. Khi không có từ trường ngoài, các miền từ hoá tự nhiên có định hướng từ lộn xộn nên chúng không tạo ra từ trường tổng cộng đáng kể. Nhưng khi có từ trường ngoài đủ mạnh, các miền từ hoá tự nhiên đều định hướng theo từ trường ngoài, nhờ vậy khi có từ trường ngoài vật liệu sắt từ tạo ra từ trường rất mạnh. Nhưng khi từ trường ngoài giảm đến không, các miền từ hoá tự nhiên không quay về ngay trạng thái lộn xộn ban đầu, chúng vẫn còn tạo ra một từ trường nhất định nào đó, gọi là từ dư.

Nói cách khác, biến thiên của trạng thái từ trong vật liệu sắt từ không theo kịp biến thiên của từ trường ngoài, có sự chậm trễ nên năng lượng của từ trường xoay chiều bị tổn hao và biến thành nhiệt.

Cũng có thể nói là đối với dòng điện xoáy ở vật liệu sắt từ do có từ trễ nên điện trở (kháng trở) khá lớn so với vật dẫn thông thường, toả nhiệt vì hiệu ứng Joule lớn hơn.

Tóm lại nồi làm bằng vật liệu sắt từ khi đặt lên bếp từ sẽ nóng lên rất nhiều so với nòi làm bằng vật liệu thường như đồng, nhôm…

Chú ý thêm một điều nữa là khi nằm trong từ trường xoay chiều tần số cao, dòng điện xoáy chỉ ở một lớp rất mỏng trên bề mặt (hiệu ứng ngoài da – skin effect). Do đó lớp sắt từ ở đáy nồi không cần dầy mà chỉ cần một lớp mỏng.

Như vậy nấu bằng bếp từ không phải là truyền nhiệt từ dưới mặt bếp thông qua đáy nồi rồi nhiệt mới được truyền vào nước (hoặc thức ăn) trong nồi. Ở bếp từ do hiện tượng cảm ứng từ dòng điện xoáy được sinh ra ngay ở lớp sắt từ của đáy nồi trực tiếp tiếp xúc với nước hoặc thức ăn ở trong nồi nên rất ít mất mát vì truyền nhiệt ra ngoài.

Hiệu suất của bếp từ rất cao, đạt tới 90%, tương đươi với hiệu suất của bếp ga, trong khi đó hiệu suất của bếp điện dùng dây mayxo chỉ khoảng 47%. Ngoài ra đun bằng bếp từ rất an toàn. Mặt bếp làm bằng gốm, không dẫn điện, dòng điện xoáy gây ra một điện thế vô cùng nhỏ.

Chỉ có trở ngại là dùng bếp từ đặc biệt là gần đáy nồi phải là một lớp bằng vật liệu sắt từ, có từ trễ nhất định. Vật liệu sắt từ đắt tiền chưa chắc đã thoả mãn những yêu cầu của nồi hay chảo đựng thức ăn như bền, cứng, nhẹ, không bị han rỉ. Vì vậy nồi thật tốt dùng cho bếp từ có thể cấu tạo như vẽ và chú thích ở hình 2.

1. Thép không gỉ, không bị thức ăn muối mặn tác dụng, dễ rửa sạch.

2, 3, 4. Các lớp nhôm đảm bảo dày, cứng, dẫn nhiệt tốt.

5. Thép không gỉ dễ hàn ép.

6. Thép không gỉ, có từ tính (sắt từ) để có dòng cảm ứng sinh nhiệt.

7. Thép không gỉ.

Nguồn: Vật lý và Tuổi trẻ, số 33, 5/2006, tr B3