כירי האינדוקציה הפכו לפופולריות בישראל בשנים האחרונות ומחליפות בהדרגה את כירי הגז הנפוצות. בכירת הגז מצת מצית זרם רציף של גז בישול דליק, והחום של הבעירה מחמם את כלי הבישול שנח על הכירה. אך כיצד פועלת כירת אינדוקציה, שכלל אינה מתחממת בעת פעולתה, ומדוע סירים מסוימים מתאימים לבישול עליהן ואחרים לא?

אינדוקציה, או השראה בהקשר הזה, היא קיצור של המונח "השראה אלקטרומגנטית", שעל בסיסה עובדת כירת אינדוקציה. בהשראה אלקטרומגנטית שדה מגנטי שמשתנה לאורך זמן משרה, כלומר מייצר, זרמים חשמליים במוליכים חשמליים, לדוגמה מתכות, שסמוכים למקור השדה המגנטי. גילוי התופעה מיוחס למדען האנגלי בן המאה ה-19 מייקל פאראדיי שעל שמו נקרא חוק פאראדיי להשראות. אומנם פאראדיי גילה את התופעה בניסוי במעבדה, אך הפיזיקאי הסקוטי ג'יימס קלרק מקסוול הוא שניסח את המשוואות המתמטיות שלה. חוקי מקסוול מתארים את ההתנהגות של מעגלים חשמליים בכלל ושל גלים אלקטרומגנטיים בפרט.


הסיר מונח על גבי משטח שמתחתיו חוט נחושת מלופף בסליל צפוף. השראה אלקטרומגנטית בכיריים בשיטת האינדוקציה | Fouad A. Saad, Shutterstock

פרסום

האלקטרומגנט שיוצר זרם חשמלי

על פי חוק פאראדיי, שדה מגנטי שמשתנה לאורך זמן משרה זרם חשמלי במוליך סמוך. מקור השדה המגנטי המשתנה יכול להיות מגנט שנע או מגנט שהמוליך נע ביחס אליו. על פי העיקרון הזה פועלות כל התחנות לייצור חשמל – תחנות הכוח – למעט תחנות שמשתמשות בתאים סולריים. מקור השדה המגנטי יכול להיות גם זרם חשמלי שזורם בחוט, ואם הזרם משתנה לאורך זמן, כך גם השדה שהוא מייצר. לכן זרם חילופין – זרם שגודלו וכיוונו משתנים בצורה מחזורית – שזורם בסליל, משרה שדה מגנטי שמשתנה לאורך זמן. השדה המגנטי המושרה עובר באוויר ללא צורך במגע פיזי בין מקור הזרם ובין המוליך, וכך זרם משתנה יכול להשרות זרם במוליך בסביבתו ללא צורך במגע ישיר ביניהם.

הכיריים בנויות לרוב ממשטח זכוכית מחוסמת שמתחתיו יושב חוט נחושת שכרוך בסליל צפוף. כשהכירה פועלת, זרם חילופין זורם בסליל הלוך ושוב בתדירות של 50-25 קילו-הרץ (אלף פעמים בשנייה). זה לכאורה קצב חילופין גבוה, אך לעומת גלי רדיו נפוצים זה תדר נמוך יחסית. רדיו, לדוגמה, פועל בתדר של כ-100 מגה-הרץ (מיליון פעמים בשנייה) וטלפונים סלולריים פועלים בתדירויות של עד חמישה גיגה-הרץ (מיליארד פעמים בשנייה). זרם החילופין שבסליל משרה בסביבתו שדה מגנטי משתנה, וכשמניחים כלי בישול מתאים על הכירה, השדה המגנטי המשתנה משרה זרם חילופין בתדר זהה בתחתית הסיר או המחבת.

האלקטרומגנט המחמם

כלי הבישול מתחמם עקב התנגדות המתכת שממנה הוא עשוי לזרם החשמלי שזורם דרכו. תחתית הכלי צריכה להוליך חשמל כדי שיזרום בה די זרם, אך דרושה התנגדות חשמלית מספקת, בטווח מסוים, כדי לייצר חום שיחמם את הכלי ואת המזון שבתוכו. לשם כך נרתם "אפקט הקרום", תופעה שבה זרם חילופין שזורם במוליך – למשל, תחתית סיר – לא זורם במלוא נפח המתכת אלא רק בעומק מסוים של פני השטח של החומר. ככל שעומק חדירת הזרם קטן, כך גדלה ההתנגדות של המוליך לזרם והוא יתחמם יותר. על כן, לכירי אינדוקציה מתאימים כלים שעשויים ממתכות בעלות עומק חדירה נמוך.

בחומר נוצרות מערבולות חשמליות שמכונות זרמי אדי (eddy currents) או זרמי ערבול, והן מגבילות חדירה של הגלים האלקטרומגנטיים. עומק החדירה של זרם החילופין תלוי בתדירות הזרם, והוא יקטן ככל שהתדר גבוה יותר. מבחינה תיאורטית עדיף תדר גבוה ככל האפשר כדי שעומק החדירה יהיה קטן ככל האפשר, אך כירי אינדוקציה משתמשות בתדר של עשרות קילו-הרץ. תדר העבודה נבחר בעיקר בגלל עלות הרכיבים, שכן רכיבים שמאפשרים עבודה בתדרים גבוהים הם יקרים בהרבה.

אפקט הקרום תלוי גם בסוג המתכת, ובפרט בהתנגדות החומר והחַלְחַלּוּת המגנטית (פרמאביליות) שלו. מתכות כנחושת ואלומיניום שנוהגים לייצר מהן סירים ומחבתות, הן מוליכות טובות ולכן עומק החדירה בהן קטן. לעומתן, לפלדה מגנטית יש פרמאביליות גבוהה פי אלף ויותר מנחושת ואלומיניום, כלומר היא מתמגנטת בתגובה לשדה מגנטי שמושרה בה. כתוצאה מכך, עומק החדירה של הזרם המושרה בפלדה מגנטית, כלומר עובי ה"קרום" שבאפקט הקרום, קטן לעיתים פי עשרות מאשר עומק הזרם המושרה בנחושת או אלומיניום. על כן, כלים שמתאימים לכירי אינדוקציה עשויים לרוב מפלדה מגנטית. כלל אצבע נוח לבדיקה אם כלי מתאים לכירת אינדוקציה הוא האם הכלי יתמגנט למגנט ביתי.


משטח הכיריים איננו מתחמם מן הסליל שמתחתיו אך יכול להתחמם מן המחבת החמה שמונחת עליו. שוקולד שחלקו נמס על מחבת וחלקו נותר מוצק על הכיריים | Canan Asik, Shutterstock

יש לי אינדוקציה שזה יעיל יותר

מה עדיף? כירת אינדוקציה, כירה חשמלית קרמית, או כירת גז? זה תלוי, בין השאר, בהעדפות הקולינריות. יש המעדיפים את סגנון הבישול המסורתי שמספקות כירי הגז, ובנושא סובייקטיבי זה לא נעסוק. נתמקד בסוגיות שאפשר לכמת. לאינדוקציה יש יתרון מובהק ביעילות אנרגטית, וכירי אינדוקציה יעילות עד פי שלושה מכירי גז. כירי אינדוקציה גם יעילות יותר מכירה חשמלית קרמית סטנדרטית. כיריים חשמליות אלה מכילות סליל שדרכו מועבר זרם. בשל ההתנגדות הגבוהה של הסליל הוא מתחמם, ובתורו הוא מחמם את הכלי הבא במגע ישיר עם המשטח או עקב קרינת החום המופק בסליל.

בשל אופי הפעולה, כירת אינדוקציה צורכת חשמל רק אם מונח עליה סיר, וכמעט כל החשמל מושקע ישירות בחימום כלי הבישול. כירת גז, לעומת זאת, מייצרת חום על ידי בעירה, ועל כן הרבה אנרגיה מבוזבזת בחימום סביבת הבישול. זה גם ההסבר לכך שכירי אינדוקציה לרוב גם מחממות כלים מהר יותר מכיריים של גז.

בהכללה, כירי אינדוקציה בטוחות יותר לשימוש. מנגנוני בטיחות מנתקים את הזרם אם לא נח על הכיריים כלי מתאים, ואין סכנת כוויה ישירות ממקור החימום כי הסליל לא יכול לחמם ישירות את הגוף שלנו. כמובן שיש סכנת כוויה מכלי בישול חם או אם הכיריים עדיין חמות אחרי הבישול, בדומה לכירת גז.  כירה חשמלית קרמית מסוכנת מבחינה זו שכן היא מחממת מאוד את המשטח ולעיתים לא ניתן להבחין בכך, לעומת כירת גז שבה אפשר לראות את הלהבה הבוערת. דליפת גז היא סכנה משמעותית במערכות גז, והיא לא קיימת בכירה שמבוססת על חשמל, אם כי דליפות גז נדירות בתשתיות תקניות ומודרניות ומתרחשות בעיקר בתשתיות מאולתרות ולא מפוקחות.

כירי אינדוקציה מפיקות אומנם קרינה אלקטרומגנטית, אך טווח התדרים של הקרינה נחשב בטוח וממילא רוב הקרינה נספגת בכלי הבישול. בכירי אינדוקציה אין סכנת התחשמלות על אף העובדה שכירת האינדוקציה משרה זרם בתחתית הסיר. הזרם מושרה בטווח קטן מאוד בתחתית הדופן, ולכן באזור של ידיות הסיר לא זורם זרם, והזרם בתחתית נפסק ברגע שמרימים את הסיר. בלאו הכי הזרם החשמלי "מעדיף" לזרום בסיר, כי בסיר ההתנגדות נמוכה יותר מאשר התנגדות הגוף שלנו. אם כן, הסכנה העיקרית בכירי אינדוקציה היא סכנת הכווייה מסיר חם ולא סכנת ההתחשמלות.


חסכוניות פחות באנרגיה, ובהכללה, בטוחות פחות לשימוש מאשר כירי אינדוקציה. כיריים של גז (ימין) וכיריים חשמליות סטנדרטיות | LUNA BRILLANTE; Kolonko, Shutterstock

פרסום

האינדוקציה משתלמת

בעת הפסקת חשמל, יש יתרון בזמינות של מקור בישול וחימום שלא תלוי בחשמל. עם זאת, היתרון הזה היה רלוונטי כשרשת החשמל בישראל הייתה פחות אמינה, ואילו כיום רשת החשמל בישראל היא מהאמינות בעולם. בשנים האחרונות היו כ-200 דקות של הפסקת חשמל ללקוח בשנה, בממוצע, פחות מ-0.05% ממשך אספקת החשמל. משמעות הנתון הזה היא שאמינות אספקת החשמל היא מעל 99.95 אחוז. בנושא אחד יש לכירי גז יתרון מובהק גם כיום, והיא עלות ההשקעה הראשונית. מודלים בסיסיים של כירי אינדוקציה עולים פי שניים עד שלושה מכיריים לבישול בגז. יחד עם זאת, לפי ניתוח של משרד האנרגיה, העלות הזאת מתקזזת עם עלויות הצריכה הגבוהות של גז ביתי, מה שהופך כירי אינדוקציה לזולות יותר בטווח הארוך.

לסיכום, כיריים המבוססות על אינדוקציה הן מנגנון חדשני לבישול ביתי, והפופולריות שלהן עולה. מנגנון הפעולה שלהן מבוסס על השראת שדות אלקטרומגנטיים שמחממים ישירות כלי בישול ממתכת מגנטית. כירי אינדוקציה נחשבות בטוחות יותר מכירי גז, הן גם יעילות בהרבה, ותפוצתן צפויה לגדול בשנים הקרובות.

לינק לכתבה שלנו מאתר מכון דוידסון לחינוך מדעי.

https://davidson.weizmann.ac.il/

 קרדיט : מאת דן יודילביץ באדיבות  מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע.

מכון דוודסון