Podstawy ogrzewania indukcyjnego
Ogrzewanie indukcyjne ma miejsce w elektrycznie przewodzącym obiekcie (niekoniecznie ze stali magnetycznej), gdy jest on umieszczony w zmiennym polu magnetycznym. Nagrzewanie indukcyjne wynika z histerezy i strat wiroprądowych.
Ogrzewanie indukcyjne to proces nagrzewania obiektu przewodzącego prąd elektryczny (zwykle metalu) za pomocą indukcji elektromagnetycznej, poprzez ciepło generowane w obiekcie przez prądy wirowe. Nagrzewnica indukcyjna składa się z elektromagnesu i elektronicznego oscylatora, który przepuszcza przez elektromagnes prąd zmienny o wysokiej częstotliwości. Szybko zmieniające się pole magnetyczne przenika przez obiekt, generując prądy elektryczne wewnątrz przewodnika, zwane prądami wirowymi. Prądy wirowe przepływające przez rezystancję materiału ogrzewają go poprzez ogrzewanie Joule'a. W materiałach ferromagnetycznych (i ferrimagnetycznych), takich jak żelazo, ciepło może być również generowane przez straty histerezy magnetycznej. Częstotliwość używanego prądu zależy od rozmiaru obiektu, rodzaju materiału, sprzężenia (między cewką roboczą a ogrzewanym obiektem) i głębokości penetracji.
Straty histerezy występują tylko w materiałach magnetycznych, takich jak stal, nikiel i bardzo niewielu innych. Straty histerezowe są spowodowane tarciem między cząsteczkami, gdy materiał jest namagnesowany najpierw w jednym kierunku, a następnie w drugim. Cząsteczki mogą być traktowane jako małe magnesy, które obracają się przy każdym odwróceniu kierunku pola magnetycznego. Do ich odwrócenia wymagana jest praca (energia). Energia zamienia się w ciepło. Szybkość wydatkowania energii (moc) wzrasta wraz ze wzrostem szybkości odwracania (częstotliwości).
Straty wiroprądowe występują w każdym materiale przewodzącym w zmiennym polu magnetycznym. Powoduje to nagłówek, nawet jeśli materiały nie mają żadnych właściwości magnetycznych zwykle kojarzonych z żelazem i stalą. Przykładami są miedź, mosiądz, aluminium, cyrkon, niemagnetyczna stal nierdzewna i uran. Prądy wirowe to prądy elektryczne indukowane przez transformator w materiale. Jak sugeruje ich nazwa, wydają się one płynąć w wirach w stałej masie materiału. Straty wiroprądowe są znacznie ważniejsze niż straty histerezy w nagrzewaniu indukcyjnym. Należy pamiętać, że nagrzewanie indukcyjne jest stosowane do materiałów niemagnetycznych, w których nie występują straty histerezy.
W przypadku podgrzewania stali do hartowania, kucia, topienia lub innych celów, które wymagają temperatury powyżej temperatury Curie, nie możemy polegać na histerezie. Powyżej tej temperatury stal traci swoje właściwości magnetyczne. Gdy stal jest podgrzewana poniżej punktu Curie, udział histerezy jest zwykle tak mały, że można go zignorować. Dla wszystkich praktycznych celów, I2R prądów wirowych jest jedynym sposobem, w jaki energia elektryczna może być przekształcona w ciepło do celów ogrzewania indukcyjnego.
Aby wystąpiło nagrzewanie indukcyjne, potrzebne są dwie podstawowe rzeczy:
- Zmieniające się pole magnetyczne
- Materiał przewodzący prąd elektryczny umieszczony w polu magnetycznym