Ein Induktionskochfeld ist ein Kochfeld, bei dem das ferromagnetische Kochgeschirr durch induktiv erzeugte Wirbelströme sowie Ummagnetisierungsverluste erwärmt wird.
Wirkungsweise mini|Eine Einbaukochstelle mit 4 Induktionskochfeldern und Glaskeramik-Oberfläche unterscheidet sich optisch nicht von einem konventionellen Glaskeramik-Elektrokochfeld im ausgeschalteten Zustand Die Leistung wird in Form eines magnetischen Wechselfeldes durch eine isolierende, kalte Platte (meist Glaskeramik) durch den Boden des Kochgeschirrs übertragen. Der Kochgeschirrboden muss aus einem ferromagnetischen Stoff bestehen, wie zum Beispiel Edelstahl oder Gusseisen. In diesem Stoff werden wechselnde Wirbelströme induziert, die zu Um-magnetisierungsverlusten führen und dadurch Wärme erzeugen.Llorente S et al. A comparative study of resonant inverter topologies used in induction cookers. Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics 2, 1168–1174. 2002. Da keine Kochplatte – wie beim konventionellen Elektroherd – erhitzt werden muss, um erst von ihr die Wärme in den Topfboden zu leiten, ist die Effizienz des Induktionsverfahrens bei kurzem Kochen und Braten höher.
Unter der Kochfläche befindet sich dazu eine von einem Hochfrequenz-Strom durchflossene Spule, die das magnetische Wechselfeld erzeugt. Die dabei übliche Frequenz liegt im Bereich von etwa 25 bis 50 kHz.
Töpfe und Pfannen für Induktionskochplatten müssen am Boden zumindest außen eine Schicht aus ferromagnetischem Material besitzen. Dies erkennt man daran, dass ein Magnet am Topfboden haften bleibt. Für einen guten Wirkungsgrad der Wandlung elektromagnetischer in Wärmeenergie muss dieses Material – wie es bei Eisenlegierungen zumeist der Fall ist – außerdem einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das gut leitende HF-Kupfer der Induktionsspule.
Weitere Aspekte der Wahl ferromagnetischer Legierungen als Bodenmaterial sind u. a.: Ferromagnetisches Material im Topfboden bündelt das magnetische Wechselfeld eben dort, während es sich bei nicht ferromagnetischen Topfböden, weniger gebündelt, stärker im Raum ausbreiten könnte, was zu unerwünschten Wechselwirkungen mit der Umgebung der stromdurchflossenen Spule führen kann (vgl. Elektromagnetische Umweltverträglichkeit). Durch den Skin-Effekt erzeugt das magnetische Wechselfeld seine Wirbelströme nur in einer dünnen Außenschicht des Topfbodens. Deshalb und weil der ohmsche Widerstand der Induktionsspule im Gegensatz zu dem des ferromagnetischen Bodenmaterials klein ist (der Wirbelstrom im Topfboden ist etwa ebenso hoch wie die Durchflutung der Induktionsspule), wird der größte Teil der zugeführten elektrischen Leistung im Topfboden in Wärme umgesetzt. Etwa ein Drittel der in den Topfboden eingebrachten Energie wird durch den Ummagnetisierungsverlust (Hysterese) in Wärmeenergie gewandelt.
mini|hochkant=0.5|Label an Topf oder Pfanne für induktive Erhitzung Induktionstaugliches Kochgeschirr erfüllt diese Bedingungen normalerweise und lässt sich am Symbol, das die Drahtwendel einer Spule in einem Quadrat zeigt, auf dem Topf- oder Pfannenboden erkennen. Um zu überprüfen, ob Kochgeschirr ohne Induktionssymbol für Induktionskochflächen geeignet ist, kann ein Magnet an den Boden gehalten werden. Bleibt dieser haften, ist der Boden ferromagnetisch (lat. ferrum = Eisen) und damit für den Gebrauch geeignet. Dabei sind dickere Böden für eine bessere Wärmeverteilung vorteilhaft.
Die meisten Induktionskochfelder schalten das Erregerfeld automatisch wieder aus, sobald sich ein zu kleiner, ungeeigneter oder auch gar kein Topf auf dem Kochfeld befindet. Allerdings kann sich die Elektronik von einem aufliegenden metallischen Gegenstand, den sie für einen Topf hält (z. B. einer Eisenplatte), täuschen lassen.
Aufbau
Eine große, flache, etwa im Durchmesser der zu erwartenden Kochgeschirre, einlagige Spule aus Hochfrequenzlitze erzeugt das hochfrequente magnetische Wechselfeld unter der Kochfläche. Sie bildet mit Kondensatoren einen Schwingkreis, der von einem oder mehreren Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Schalttransistoren) in Resonanz versetzt wird (Resonanzwandler oder Royer-Konverter).
Für die Leistungssteuerung gibt es verschiedene Schaltungskonzepte: Die Transistorschalter werden aus einem regelbaren Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Die Gleichspannung wird über steuerbare Halbleiterdioden (Thyristoren) aus der Netzwechselspannung gewonnen. die Anregungsfrequenz wird variiert – wenn sie außerhalb der Resonanz liegt, sinken Spulenstrom und Leistung Eine Pulsweitensteuerung schaltet die volle Leistung ein und aus (Frequenz etwa 0,5 Hz). Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit bestimmt die Heizleistung.
Vor- und Nachteile Die Reaktionszeit ist kurz, das Kochgeschirr erhitzt sich rasch; dadurch lässt sich der Kochvorgang besser steuern als bei einem Kochfeld mit thermisch trägen elektrischen Kochplatten.
Ein Teil der elektrischen Energie geht verloren, weil nur ein Anteil von 80 bis 90 Prozent in ein magnetisches Feld verwandelt werden kann, auch wenn das Kochfeld komplett durch den Topf- oder Pfannenboden bedeckt ist. Der Anteil an nicht genutzter Energie durch Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung in der Kochstelle ist geringer als bei konventionellen Herdtypen, da die vorherige Erwärmung der Kochplatte entfällt. Beim Ankochen werden bis zu 30 Prozent Energie gespart.
Die Glasfläche unter dem Topf wird nur sekundär durch den Kontakt mit dem Topf erwärmt. Lebensmittelreste brennen somit kaum auf dem Kochfeld ein, was die Reinigung einfacher macht. Die Reinigung kann mechanisch (etwa mit einem Ceranfeld-Reinigungsschaber) oder aber chemisch erfolgen.
Auf einem Induktionskochfeld können nur magnetisierbare Töpfe verwendet werden. Alle nichtmetallischen sowie nicht magnetisierbare Gefäße aus Edelstahl 18/10 oder Nichteisenmetallen sind ungeeignet. Im Handel werden Platten aus ferromagnetischem Material (Induktionsadapter) angeboten, die man zwischen Topf und Kochfeld legt. Das Kochfeld erwärmt dann diese Platte, die ihrerseits die Wärme (wie eine herkömmliche Kochplatte) an den Topf überträgt. Hierbei geht etwas Energie verloren, dafür kann man die bisherigen Kochgeschirre weiterverwenden. Auch Kochgeschirr aus Ton (z. B. Tajine), oder Keramik (z. B. Caquelon) kann mit Hilfe der Adapterplatten verwendet werden.
Zur Kühlung der Elektronik des Kochfeldes ist meist ein Lüfter eingebaut. Dieser, und andere Komponenten, können aufgrund subharmonischer Untertöne und der Modulation der Arbeitsfrequenz hörbare Geräusche wie Zirpen und Brummen verursachen. Hunde und Katzen können evtl. auch die Grundfrequenz der magnetischen Kräfte (das Doppelte der Arbeitsfrequenz) hören.
Die Elektronik ist aufwändiger als bei anderen elektrischen Herden, besonders das Hochleistungsnetzteil, das in konventionellen elektrischen Herden nicht nötig ist.
Induktionskochplatten haben eine bessere Energieeffizienz als die konkurrierenden Verfahren Gas, Glaskeramik und Strahlungsheizung (Halogenkochfeld). Prinzipiell muss ein Gasherd etwa doppelt soviel Wärme erzeugen wie ein Induktionsherd, um die gleichen Ergebnisse zu liefern. Geht man von üblichen elektrischen Wirkungsgraden moderner Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke bis zu 60 Prozent aus,https://tractebel-engie.de/de/nachrichten/2018/rekordwirkungsgrad-fuer-ein-gud-kraftwerk kann ein Induktionsherd selbst dann effizienter sein als ein Gasherd, wenn der gesamte Strom aus Gas erzeugt wurde. Bei Gasherden und -Heizungen ist auch der Transport des Brennstoffs zum Endkunden zu berücksichtigen.https://www.uswitch.com/boilers/guides/gas-leaks-safety/ Im globalen Süden wird oft nicht mit Gas aus (nicht vorhandenen) Leitungen, sondern aus Gasflaschen gekocht, deren Transport um Größenordnungen weniger effizient ist als der in Pipelines.https://www.multiconsultgroup.com/assets/LPG-for-Cooking-in-Developing-Countries_Report-by-Multiconsult.pdf
Eine stufenlose Leistungsregelung gibt es bei Induktionsherden erst in der Profiklasse. Preiswerte Geräte regeln bei niedriger Einstellung nicht die entsprechende Leistung, sondern die Frequenz, mit der die Spulen kurz mit jeweils voller Leistung pulsierend ein- und ausgeschaltet werden.
Elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMUV) Das Bundesamt für Gesundheit der Schweiz ließ 2006/07 Induktionskochherde auf Einhaltung der ICNIRP-Referenzwerte für die Magnetfeldexposition untersuchen.Clementine Viellard, Albert Romann, Urs Lott, Niels Kuster: . Zürich : IT'IS Foundation, 2007. Grundlage der Festlegung der Referenzwerte der äußeren Felder sind Basisgrenzwerte für Feldstärken im Körperinneren, bei denen in der wissenschaftlichen Literatur ein Auftreten gesicherter gesundheitlicher Beeinträchtigungen veröffentlicht ist. Aus der niedrigsten inneren Feldgröße, bei der für den jeweiligen Frequenzbereich ein solches Auftreten beschrieben ist, werden unter der Voraussetzung der maximalen Kopplung des äußeren Feldes zur exponierten Person die Referenzwerte der äußeren Felder, hier der magnetischen Flussdichte, abgeleitet. Dabei fließt zusätzlich ein Sicherheitsfaktor ein, der auch die Datenqualität und individuelle Unterschiede der Empfindlichkeit berücksichtigt. Auch im ungünstigsten Fall kann der Referenzwert damit nicht zu einer Überschreitung des Basisgrenzwertes führen. Bei den in Induktionskochgeräten angewendeten Frequenzen ist eine im menschlichen Körper verursachte neuronale Erregung (Kribbeln, Muskelzucken und ähnliches) ausschlaggebend. Die ICNIRP-Richtlinien von 1998 ermittelten aus den bis dahin veröffentlichten Untersuchungen mit einem Sicherheitsfaktor von 50 einen Referenzwert der magnetischen Flussdichte von 6,25 µT.Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bundesamt für Strahlenschutz (Übers.); International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: (PDF; 401 kB). In: Horst Heller (Red.): Berichte der Strahlenschutzkommission. Heft 23 : Schutz der Bevölkerung bei Exposition durch elektromagnetische Felder (bis 300 GHz). Berlin : H. Hoffmann, 1999. Die Richtlinien von 2010 konnten aufgrund der durch zwischenzeitliche Veröffentlichungen verbesserten Datenlage den Sicherheitsfaktor auf 10 reduzieren und legten den Referenzwert damit auf 27 µT fest.International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: (PDF; 657 kB). In: Health Physics 99 (2010), Nr. 6, S. 818–836.
Die geprüften Geräte hielten bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in 30 Zentimeter horizontaler Entfernung vom Gerät, entsprechend der geltenden Messvorschriften,Euronorm EN 50366 „Verfahren zur Messung der elektromagnetischen Felder von Haushaltsgeräten und ähnlichen Elektrogeräten im Hinblick auf die Sicherheit von Personen in elektromagnetischen Feldern“, 2008 in Anpassung an die im Wesentlichen technisch identische internationale Norm IEC 62233 ersetzt durch die gleichnamige EN 62233. den Referenzwert von 6,25 µT der damals geltenden ICNIRP-Richtlinien ein. Bei realistischen geringeren horizontalen Abständen wurde dieser Wert teilweise überschritten, im Abstand von 1 Zentimeter vor dem Gerät erreichte er maximal 10 µT, seitlich und hinten bis zu 26 µT. Infolgedessen empfehlen das Schweizer Bundesamt für Gesundheit und das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz einen Mindestabstand von 5 bis 10 Zentimetern zur Vorderkante des Herdes.Eidgenössisches Departement des Inneren, Bundesamt für Gesundheit: Faktenblätter NIS, Downloadlink EMF-Faktenblatt InduktionskochherdBundesamt für Strahlenschutz: im Internet Archive, abgerufen am 9. Januar 2013.