בטח שמעתם על 'כיריים אינדוקציה' (induction cooking)[1]. המכשיר נראה מרשים – משטח זכוכית קרמי שטוח וחסין חום עם מסך מגע לתפעול ובקרה. והפלא הטכנולוגי: החימום מתבצע באמצעות השראה אלקטרומגנטית, כך שתחתית הסיר מתחממת בלי שהמשטח עצמו יתחמם! איך זה קורה? נחזור בנוסטלגיה אל חוקי הפיזיקה, נספר מדוע לא נוכל עוד להשתמש בסירי הנחושת של סבתא ומדוע עובי דופן הסיר אינו קובע, וגם נציג אתגר מפתיע שהטכנולוגיה המבטיחה הזו מציבה.

נתחיל בפיזיקה: כאשר יש זרם חשמלי בחוט מוליך, נוצר סביבו שדה מגנטי. אם הזרם ישתנה עם הזמן, ישתנה גם השדה המגנטי. באופן מפתיע, אם לולאה סגורה מחומר מוליך תונח בסמוך לחוט, ייווצר בה מתח חשמלי ובעקבותיו יהיה בה זרם. זו 'השראה אלקטרומגנטית'. אולם לשם כך נצטרך להשתמש בזרם חילופין. נסביר:

'שטף מגנטי' הוא גודל המייצג את 'כמות' השדה המגנטי העוברת דרך שטח כלשהו ביחידת זמן. לפי חוק פאראדיי[2], אם השטף המגנטי אינו משתנה בזמן, אזי המתח המושרה הוא אפס ולא יהיה זרם בלולאה. כלומר כדי שיהיה זרם בלולאה צריך השטף המגנטי להשתנות בזמן, ולשם כך נשתמש בזרם חילופין. וכדי שהשטף המגנטי יגדל, נגדיל את השטח הכלוא בלולאה באמצעות שימוש בסליל (כל ליפוף בסליל מתנהג כחלק מלולאה גדולה).

כעת, אם נזרים זרם חילופין בסליל מוליך ונקרב אליו סליל אחר, תיווצר זרימה גם בסליל השני בעקבות המתח המושרה. אם שני הסלילים זהים זה לזה (בחומר, בכמות הליפופים וכו'), יהיה המתח המושרה בסליל השני זהה למתח שבסליל הראשון ולכן יזרום דרכם אותו זרם. אך אם, למשל, מספר הליפופים בסליל השני קטן במחצית ממספרם בסליל המוליך, אזי השטף דרכו יהיה קטן יותר, ולכן יושרה בו מתח נמוך יותר – והזרם יהיה חזק כפליים. שימוש נפוץ בהשראה הוא בשנאים[3], שבהם מלפפים את שני הסלילים סביב ליבת ברזל אחת. בשימושים אחרים, כמו במטען טלפונים אלחוטי, הסלילים אינם צמודים זה לזה: בסליל שבמטען עובר זרם, וכאשר מקרבים אליו טלפון מושרה מתח בסליל שבטלפון – וכך נוצר בו זרם המטעין את הסוללה.

נגיע לענייננו: מתחת למשטח הזכוכית של כיריים האינדוקציה יש סליל גדול ומעגל חשמלי, ההופך את הזרם לזרם חילופין בתדר גבוה. בעת ההפעלה נוצר שדה מגנטי חזק המשתנה במהירות. לסליל שבכיריים יש כריכות רבות, בעוד שתחתית הסיר היא כמו סליל עם כריכה אחת. כך המערכת כיריים-סיר עובדת כמו שנאי, וממירה את המתח הגבוה והזרם החלש שבכיריים למתח נמוך וזרם חזק בסיר. כאשר עובר זרם במוליך בעל התנגדות חשמלית, נושאי המטען 'מרטיטים' את האטומים שבמוליך ומביאים להתחממותו ('חימום ג'אול'[4]), וכך מתחמם הסיר. התוצאה היא שהכיריים אינן מתחממות יתר על המידה, בזמן שתחתית הסיר – שבה מושרה זרם חזק – מתחממת מאוד.

מרוצים מכך שהבנו את התהליך, הנחנו על משטח הכיריים החדשות את סיר הנחושת של סבתא, והמתנו שהמרק יתחמם.

והמתנו.

והמתנו.

וכלום...

מתברר שכאשר משתמשים בכלי מחומר עם התנגדות נמוכה מאוד, כנחושת או אלומיניום, אזי אומנם ייווצרו בתחתית הסיר זרמי ערבולת (eddy currents[5]), אולם הוא לא יתחמם דיו. לדאבוננו, אם כן, לא נוכל להשתמש בסירי נחושת או אלומיניום ישנים לבישול בכיריים החדשות.

ניסינו סיר ברזל. הברזל מוליך חשמל, אבל אינו מוליך טוב, ולכן תהיה התנגדות רבה – וממילא חימום ג'אול משמעותי. ואכן הסיר התחמם, והחום שבתחתיתו עבר אל המרק. בתיאבון!

אבל משהו בתיאוריה לא מסתדר... הרי בתיכון למדנו שככל שנגד עבה יותר כך התנגדותו קטנה. לכן חששנו שסיר ברזל עבה לא יתחמם היטב – אך להפתעתנו הוא התחמם נהדר! הסיבה לכך נעוצה ב'אפקט הקרום' (Skin effect)[6]: נדמיין שתחתית הסיר עשויה שכבות ברזל דקיקות המונחות זו על זו. כאשר השטף המגנטי בתחתית הסליל מתחיל להשתנות, הוא משרה זרמי ערבולת בשכבה התחתונה ובכך מוביל לחימום ג'אול שלה. אך לולאות זרם אלו מייצרות שדה מגנטי בעצמן! יתר על כן, השדה שהן מייצרות הפוך בכיוונו לשדה החיצוני, ולכן הן מבטלות חלק ממנו: כל שכבה דמיונית כזאת פועלת כ'מסננת' של שדה מגנטי, כך שהשדה (וממילא הזרם המושרה) דועך אקספוננציאלית ככל שמעמיקים לתוך המוליך. למעשה, הזרם המושרה נמצא כמעט כולו בשפה החיצונית של הסיר, ולעובי הסיר אין השפעה רבה על קצב החימום.

ההבדל ביעילות האנרגטית בין כיריים חשמליות לכיריים אינדוקציה אינו מובהק, ותלוי במשתנים כמו גודל הסיר. אולם יש כמה יתרונות חשובים לאינדוקציה: ראשית, ההפעלה והכיבוי מיידיים. בעוד שבכיריים חשמליות החום עובר לסיר דרך גורם מתווך (גוף החימום), מעבר החום באינדוקציה הוא ישיר ומאפשר תגובה מהירה. שנית, הכיריים החדשות 'חכמות' ומזהות בעצמן מתי הסיר מונח עליהן, ואז מופעלות אוטומטית. הכיריים מזהות גם את הסרת הסיר, ואחרי המתנה קצרה הזרם נכבה אוטומטית. בפיתוחים מתקדמים יש אפילו חיישן טמפרטורה בסיר, המודיע לכיריים מתי להפסיק את החימום. ניתוק אוטומטי, שהולך ונקבע כתקן תעשייתי מחייב, חוסך אנרגיה רבה, ונודעת לו חשיבות גדולה בתכנון מכשירים חשמליים.

אולם טכנולוגיות חדשות מביאות עימן גם אתגרים מכיוונים בלתי צפויים. ביוני 2020 הודיעה הרבנות הראשית שהיא מסירה את תעודת הכשרות מבית קפה ירושלמי[7]. הסיפור הוא כזה: ההלכה אוסרת על יהודי לאכול תבשיל שבישל גוי, אך אם יהודי הדליק את האש בכיריים – התבשיל מותר (לא ניכנס כאן לפרטי ההלכות, כמובן). מכיוון שכיריים אינדוקציה מופעלות אוטומטית בהנחת הסיר, כפי שהסברנו, אזי כאשר עובד מסעדה שאינו יהודי מניח עליהן סיר, הרבנות רואה בכך 'הדלקת אש' על ידי גוי, וממילא לפנינו גוי המבשל ליהודי.

עריכה: חגי גלרנטר

מקורות והרחבות:

[1] בישול באינדוקציה

[2] חוק פאראדיי

[3] שנאים

[4] חימום ג'אול

[5] זרמי ערבולת

[6] אפקט הקרום

[7] אתגר הכשרות