Nachdem ich im Juni schon einmal über die älteste Kochmethode geschrieben habe, soll es heute um eine der neusten gehen. Seit es feuerfeste Töpfe gibt, hat man sie auf Feuer gestellt und aufgeheizt. An dem Prinzip änderte sich über Jahrtausende nicht viel.
Erst der elektrische Strom brachte eine neue Wärmequelle ins Spiel. Strom wird durch einen Leiter mit großem Widerstand geleitet, der heizt sich auf. Darüber ist dann eine Stahlplatte angebracht, die ihrerseits von der Hitze aufgeheizt wird. Auf der Stahlplatte steht dann der Topf oder die Pfanne, die dann ihrerseits aufgeheizt werden müssen.
Induktionsherde funktionieren anders. Sie heizen ohne Umweg direkt den Boden des Topfes. Aber das macht Induktionsherde nicht effizient. Es entsteht nun leicht der Eindruck, dass das effizienter sein muss. Es muss nicht erst so viel Material aufgeheizt werden, bevor die Wärme endlich dort ankommen kann, wo sie hin muss. Aber das macht die Sache nicht automatisch ineffizient. Die Wärme wird immer vom heißen Material zum kälteren Material weiter geleitet. So lange der Topf oder die Pfanne auf dem Herd steht, während die Platte noch heiß ist, geht fast keine Energie verloren.
Deswegen ist es auch kein Wunder, dass sich die beiden Techniken in Tests des Amerikanischen Department of Energy (DOE) nicht viel geben. Die Unterschiede bewegen sich im Bereich von 1-2%. Und die Ergebnisse sind auch nicht viel anders in Tests die von anderen nachvollzogen wurden. Es ist also ein Mythos, dass Induktionsherde generell viel effizienter sind.
Das gilt dann, wenn es darum geht große Mengen über lange Zeit zu kochen. Das ist auch das, was der Test des DOE macht. Man heizt den Testkörper erst mit voller Leistung auf und reduziert dann die Leistung für 15 Minuten auf 1/4. Das entspricht ungefähr dem, was man beim Kochen von Nudeln, Kartoffeln oder ähnlichem machen würde. Bei einem Schmorbraten wären die Zeiten natürlich noch viel länger. Die Tests sind also nicht wirklichkeitsfremd, aber sie zeigen nur einen Teil der Wirklichkeit.
Der andere Teil der Wirklichkeit ist alles, das bis zum Ende mit der maximalen Heizleistung gekocht oder gebraten wird. Das gilt auch für das schnelle Aufwärmen von Wasser, Milch oder kaltgestelltem Gemüse. Hier sind Induktionsherde dem herkömmlichen Elektroherd überlegen. Weil man nicht erst eine Heizplatte erhitzen muss, sind sie deutlich schneller und man verschwendet auch keine Restwärme, wenn man den Topf von der heißen Platte nimmt. Wenn man sich nur auf solche Fälle beschränkt, dann stehen Induktionsherde plötzlich viel besser da. Und auch diese Fälle sind nicht wirklichkeitsfremd, aber sie zeigen auch nicht die ganze Realität.
Trotzdem: Insofern der Preis kein Problem darstellt, lohnt sich ein Induktionsherd schon wegen der Zeitersparnis. Ansonsten leistet auch die Kombination mit einem Wasserkocher gute Dienste, der nur das Material in der Heizspirale aufheizt. Die gibt ihre Energie sehr schnell an das Wasser ab, wodurch es nach dem Abschalten kaum Verluste gibt.
Wie funktioniert ein Induktionsherd?
Keine Diskussion von Induktionsherden wäre komplett, ohne zu erklären, wie sie funktionieren. Sie funktionieren bekanntlich nur mit gut magnetisierbaren Materialien, was sogar einige Edelstähle ausschließt.
Die Idee hinter dem Induktionsherd geht auf die elektromagnetischen Phänomene zurück, die von den Maxwellgleichungen beschrieben werden. Bekanntlich kann man mit Strom Magnetfelder erzeugen. Nun nützt es nicht viel, den Topf mit einem Magnetfeld an die Kochplatte zu “kleben”, davon wird er auch nicht warm. Man braucht einen Stromfluss im Topf, dann würde der elektrische Widerstand im Topf dafür sorgen, dass sich der Topf aufheizt.
Ein Magnetfeld kann das aber nicht. Magnetfelder können elektrische Ladungen ablenken. Wenn sie sich gerade durch ein Magnetfeld bewegen, werden sie im rechten Winkel zum Magnetfeld und ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt. Aber wenn sie sich nicht bewegen, dann passiert ihnen im Magnetfeld nichts. Die Ladungsträger im Topf bewegen sich aber nicht und damit wirkt auch keine Kraft auf sie.
Wenn man einen Stromfluss haben will, braucht man elektrische Felder. Und hier kommen die Maxwellschen Gleichungen ins Spiel. Denn die beschreiben eine Beobachtung die man gemacht hat. Magnetfelder können etwas merkwürdige elektrische Felder erzeugen. Normalerweise kennt man elektrische Felder ja nur als das Feld zwischen Positiv und Negativ aufgeladenen Körpern. Wenn man dort einen negativ geladenen Körper hinein bringt, bewegt er sich sofort auf die positiv geladene Seite zu. Die Feldlinien gehen immer von einem Punkt zu einem anderen.
Wenn ein magnetisches Feld stärker oder schwächer wird, dann entsteht ein ganz anderes elektrisches Feld. Es ist Kreisförmig. Wenn man einen geladenen Körper dort hinein bringt, fängt er an sich im Kreis zu bewegen. Mit positiver Ladung in die eine Richung, mit negativer Ladung in die andere Richtung. (Wenn das Feld stärker wird geht es jeweils in die eine Richtung, wenn das Feld schwächer wird, geht es anders herum.) Es gibt also keinen Pluspol und keinen Minuspol. Es gibt nur eine Kraft und die wirkt im Kreis. Um so schneller das Magnetfeld stärker oder schwächer wird, um so stärker ist das entstehende elektrische Feld und um so stärker kann der Stromfluss sein, der dadurch verursacht wird.
Diesen Effekt macht man sich beim Induktionsherd und zu nutze. Man erzeugt mit Wechselstrom ein Magnetfeld, das einige tausend Mal pro Sekunde in die eine Richtung aufgebaut wird, dann schwächer wird und in die andere Richtung wieder aufgebaut wird.
Auf diese Weise kann man jedem Material das Strom leiten kann, Strom fließen lassen. Aber warum funktionieren dann Aluminium und Kupfertöpfe nicht? Nun, wieviel Strom fließt hängt von der Stärke des Elektrischen Feldes ab. Wie stark das elektrische Feld ist, hängt davon ab, wie stark sich das magnetische Feld ändert. Wieviel sich das magnetische Feld ändern kann, hängt davon ab, wie stark das magnetische Feld überhaupt wird. Und da liegt der Knackpunkt.
Jeder einfache Elektromagnet hat aus gutem Grund einen Eisenkern. Die Atome in dem Eisenkern haben ein magnetisches Moment, sie wirken wie kleine Dauermagnete. Wenn das Eisen nicht magnetisch ist, dann liegt es daran, dass die vielen Dauermagnete wild durcheinander sind und in unterschiedliche Richtungen zeigen. Kommen aber von außen ein halbwegs starkes Magnetfeld, dann richten sie sich alle diese kleinen Magnete danach aus und verstärken das Magnetfeld zusätzlich. Mit den stärkeren Magnetfeldern kann man dann auch viel besser Ströme in dem Topf fließen lassen, oder “induzieren”. Das klappt aber nur, wenn man genug Eisen im Topf hat.
Und dann gibt es noch die Probleme im Detail. Der Strom, der durch die Spule fließt, wird durch Leistungstransistoren gesteuert. Die dürfen nicht überhitzen und die Steuerelektronik sollte auch nicht überlastet werden. Außerdem wäre es ganz Praktisch, wenn wirklich nur Töpfe geheizt werden, und kein zufällig da liegender Löffel. Schon deswegen, weil die Elektronik überlastet wird, wenn nichts zum heizen da ist. Denn die kreisförmig fließenden Ströme im Topf erzeugen ihrerseits natürlich auch ein Magnetfeld, das dann auf die Spule im Herd zurück wirkt und die Ströme abschwächt, die dort fließen.
Dazu wird ständig das Verhalten der Spule beim Heizen überprüft. Man regt mit einem kurzen Impuls das Magnetfeld an und beobachtet, wie stark es zusammen mit der Spule nachschwingt. Wenn es nicht gedämpft wird und zu lang nachschwingt, dann wird der Heizvorgang notfalls abgebrochen. Wer sich dafür interessiert, findet im Internet alles, bis hin zur Softwareimplementierung der Mikrocontroller.
Dazu kommen noch diverse Temperatursensoren, die auch in die Steuerung integriert werden können. Je nach dem wieviel Aufwand man betreiben will, kann das beliebig komplex werden. Einen sehr einfachen Fall für die Steuerung einer Induktionsheizplatte beschreibt man hier in einigem Detail. Zumindest klärt ein Einblick in die Gestaltung der Software so manches merkwürdige Verhalten von Induktionskochplatten im Alltag.
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