Wie lässt sich erklären, warum Aluminium auf einem Induktionsherd nicht funktioniert?

Ein Induktionsherd ist ein Hochfrequenztransformator. Die Primärwicklung ist in den Herd eingebaut, die Sekundärwicklung ist der Boden des darauf gestellten Topfes oder der Pfanne.

Prinzipiell arbeitet ein solcher Transformator mit allen Arten von Leitern als Sekundärleiter. Das Problem ist, dass Sie auf der Sekundärseite einen hohen elektrischen Widerstand haben möchten. Denn dieser hohe elektrische Widerstand erzeugt die Hitze im Topf- oder Pfannenboden.

Und hier fallen Aluminium und Kupfer aus. Sie sind gute Leiter und haben einen geringen elektrischen Widerstand.

Eisen hingegen hat aufgrund einer Besonderheit einen sehr hohen elektrischen Widerstand: weil unter seiner Oberfläche nur in einer sehr dünnen Schicht ferromagnetische Wechselströme fließen können. Dies wird als Skin-Effekt bezeichnet . Auch hier zeigt jedes Metall diesen Skin-Effekt , aber bei Eisen ist er 80-mal höher als bei Aluminium und Kupfer. Ebenso der Widerstand und die Wärmeerzeugung.

Deshalb brauchen Sie ein Eisenblech im Boden Ihres Topfes oder Ihrer Pfanne.

Induktionskochen funktioniert, indem im Metall des Kochbehälters ein Feld induziert wird, so dass die resultierenden Ströme eine Energiedissipation verursachen.

Bei Metall in der Größenordnung von beispielsweise 3 bis 10 mm Dicke treten bei ausreichend niedrigen Frequenzen die induzierten Felder im gesamten Metall auf.

Mit zunehmender Frequenz nimmt die Heizzone aufgrund des sogenannten Skin-Effekts einen Bereich ein, der immer näher an der Außenseite des Metalls liegt.
Gute Wikipedia-Diskussion hier: " Skin-Effekt ".

Wikipedia sagt:

• Der Skin-Effekt ist die Tendenz eines elektrischen Wechselstroms (AC), sich innerhalb eines Leiters so zu verteilen, dass die Stromdichte nahe der Oberfläche des Leiters am größten ist und mit größerer Tiefe im Leiter abnimmt. Der elektrische Strom fließt hauptsächlich an der „Haut“ des Leiters, zwischen der äußeren Oberfläche und einer Ebene, die als Hauttiefe bezeichnet wird. Der Skin-Effekt bewirkt, dass der effektive Widerstand des Leiters bei höheren Frequenzen mit geringerer Skin-Tiefe zunimmt, wodurch der effektive Querschnitt des Leiters verringert wird. Der Skin-Effekt entsteht durch gegensätzliche Wirbelströme, die durch das wechselnde Magnetfeld induziert werden, das aus dem Wechselstrom resultiert. Bei 60 Hz in Kupfer beträgt die Hauttiefe etwa 8,5 mm. Bei hohen Frequenzen wird die Hauttiefe viel kleiner.

und ganz entscheidend:

• Die Skin-Tiefe variiert auch als umgekehrte Quadratwurzel der Permeabilität des Leiters. Im Fall von Eisen beträgt seine Leitfähigkeit etwa 1/7 der von Kupfer. Da es jedoch ferromagnetisch ist, ist seine Permeabilität etwa 10.000-mal größer. Dies reduziert die Hauttiefe für Eisen auf etwa 1/38 derjenigen von Kupfer, etwa 220 Mikrometer bei 60 Hz. Eisendraht ist daher für Wechselstromleitungen unbrauchbar.

Diese Kombination von Merkmalen, die im Vergleich zu Kupfer zu hohen Verlusten im Eisen führt, macht es für verlustarme Stromübertragungsleitungen unbrauchbar, ABER überlegen, um induktive Verluste und Erwärmung zu verursachen, wenn die beste praktisch verfügbare Technologie verwendet wird.

Einer der Faktoren für Materialverluste ist jedoch die Frequenz des Wechselfeldes. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Skin-Tiefe ab, der Widerstand des leitenden Materials nimmt entsprechend zu und die Verluste nehmen zu. Bei Kupfer variiert die Skin-Tiefe mit der Frequenz, wie in der folgenden Tabelle gezeigt. :

Hauttiefe in Kupfer

[Tabelle aus Wikipedia. ]

Gegenwärtig sind Leistungsschalthalbleiter auf dem Verbrauchermarkt aus wirtschaftlichen Erwägungen auf maximale Schaltfrequenzen von etwa 100 kHz begrenzt. Frequenzen in diesem Bereich sind zum Erhitzen von Eisenkochgeräten völlig ausreichend. Typische verwendete Frequenzen liegen tatsächlich im Bereich von 20 bis 100 kHz, wobei etwa 25 kHz üblich sind.

Wenn (oder wenn) Entwicklungen bei Halbleiterschaltern ein wirtschaftliches Leistungsschalten bei Frequenzen im Bereich von 1 bis 10 MHz ermöglichen, werden die Kupferhauttiefen im Vergleich zu denen bei 20 kHz um einen Faktor von etwa dem 10- bis 30-fachen reduziert. Dies würde die Skin-Tiefe von Kupfer auf etwa die von Eisen bei 20 kHz reduzieren. Aufgrund des höheren spezifischen Widerstands von Eisen wären die Verluste und damit die Erwärmung in Kupfer immer noch geringer, aber wahrscheinlich hoch genug, um die Entwicklung innovativer kupferbasierter Heizlösungen zu ermöglichen.

Kupfer im Vergleich zu Alu / Aluminium / Aluminium *

Die Hauttiefe von Aluminium beträgt etwa das 1,25-fache der von Kupfer.
Der spezifische Widerstand von Aluminium beträgt etwa das 1,6-fache des Kupfers.
Die Erwärmung von Aluminium bei gleicher Frequenz ist also ungefähr 25 % höher als bei Kupfer. Was nahezu identisch ist, wenn man bedenkt, dass alle Effekte zweiter Ordnung auftreten können.

• Re Alumium / Aluminium / Aluminium - Sir Humphry Davy schuld :-)