Tạm biệt. brizmaker / iStock / Getty Images Plus

Để hạn chế biến đổi khí hậu, nhiều chuyên gia đã kêu gọi sự thay đổi lớn từ nhiên liệu hóa thạch sang điện. Mục tiêu là điện khí hóa các quy trình như sưởi ấm nhà cửa và cung cấp năng lượng cho ô tô, sau đó tạo ra nhu cầu điện năng ngày càng tăng bằng cách sử dụng các nguồn carbon thấp hoặc bằng không như gió, năng lượng mặt trời và thủy điện.

Hơn 30 thành phố ở California, bao gồm Berkeley và San Francisco, đã đi theo hướng này bằng cách cấm dịch vụ khí đốt tự nhiên trong hầu hết các tòa nhà mới. Hiện nay việc sử dụng năng lượng trong các tòa nhà tạo ra hơn 40% lượng phát thải khí nhà kính của San Francisco.

Có nhiều lựa chọn điện đơn giản để sưởi ấm các tòa nhà, nước nóng và sấy quần áo, nhưng sử dụng điện có thể gây tranh cãi nhiều hơn trong nhà bếp. Bếp điện truyền thống nổi tiếng là làm nóng và hạ nhiệt rất chậm. Chúng cũng đặt ra các vấn đề về an toàn vì các cuộn dây sưởi của chúng có thể nóng trong hàng chục phút sau khi tắt.

Một đầu bếp nghiêm túc để làm gì? Một công nghệ cao thay thế là cảm ứng từ. Công nghệ này lần đầu tiên được đề xuất hơn 100 năm trước và trình diễn tại Hội chợ Thế giới Chicago năm 1933. Ngày nay bếp từ và bếp từ rất phổ biến ở Châu Âu và Châu Á, nhưng vẫn một công nghệ thích hợp ở Mỹ As nhiều thành phố và tiểu bang tiến tới điện khí hóa, đây là cái nhìn về cách hoạt động của cảm ứng từ và những ưu nhược điểm của nó đối với việc nấu nướng.

{vembed Y = glH71fM9Oe4}
Kỹ sư điện Bill Kornrumpf mô tả cách thức hoạt động của nấu ăn bằng cảm ứng từ.

Sưởi ấm không có ngọn lửa

tôi là kỹ sư điện chuyên nghiên cứu lĩnh vực điện từ. Phần lớn công việc của tôi tập trung vào các ứng dụng trị liệu y tế - nhưng cho dù bạn đang để mô người hay chảo trên bếp tiếp xúc với điện từ trường thì các nguyên tắc đều giống nhau.

Để hiểu điện từ trường là gì, nguyên tắc quan trọng là điện tích tạo ra một trường xung quanh nó - về cơ bản, một lực kéo dài theo mọi hướng. Hãy nghĩ về tĩnh điện, là điện tích thường được tạo ra do ma sát. Nếu bạn chà một quả bóng bay lên tóc, ma sát sẽ làm quả bóng bay tích điện tĩnh; thì khi bạn nhấc quả bóng bay ra khỏi đầu, tóc bạn sẽ nhô lên, ngay cả khi quả bóng không chạm vào nó. Quả bóng bay đang kéo tóc bạn bằng một lực điện hấp dẫn.

Các điện tích chuyển động, giống như dòng điện chạy qua dây dẫn, tạo ra từ trường - các vùng của lực từ xung quanh đường đi của dòng điện. Trái đất có từ trường do các dòng điện chạy trong lõi nóng chảy của nó.

Từ trường cũng có thể tạo ra điện trường và đây là lý do tại sao chúng ta sử dụng thuật ngữ trường điện từ. Khái niệm này được phát hiện vào những năm 1830 bởi Nhà khoa học người Anh Michael Faraday, người đã chỉ ra rằng nếu một vật liệu dẫn điện, chẳng hạn như dây dẫn, được đặt trong một từ trường chuyển động, một điện trường được tạo ra trong vật dẫn. Chúng tôi gọi đây là cảm ứng từ. Nếu dây dẫn được tạo thành một vòng lặp, một dòng điện sẽ chạy quanh vòng dây.

Khám phá của Faraday đã hình thành cơ sở cho phát triển động cơ điện. Công trình của ông cũng chứng minh một phương pháp làm nóng vật liệu mà không cần sử dụng nguồn nhiệt truyền thống như lửa.

Nhiệt đến từ đâu?

Tất cả các vật liệu đều có điện trở, có nghĩa là khi dòng điện chạy qua chúng, dòng điện sẽ cản trở ít nhất là phần nào. Điện trở này làm cho một phần năng lượng điện bị mất đi: Năng lượng biến thành nhiệt, và kết quả là vật dẫn nóng lên. Trong nghiên cứu y sinh của tôi, chúng tôi điều tra việc sử dụng từ trường tần số vô tuyến để làm nóng các mô trong cơ thể giúp mô lành lại.

Thay vì các đầu đốt thông thường, các điểm nấu nướng trên bếp từ được gọi là bếp và bao gồm các cuộn dây được nhúng vào bề mặt của bếp. Để đạt hiệu quả tối đa, các kỹ sư muốn năng lượng từ trường được tạo ra bởi mỗi bếp được hấp thụ bởi dụng cụ nấu nướng trên đó càng nhiều càng tốt. Từ trường sẽ tạo ra một điện trường trong đáy của dụng cụ nấu ăn, và do có điện trở nên chảo sẽ nóng lên, mặc dù bếp thì không.

Các cuộn dây từ bên dưới bề mặt kính gốm của bếp nấu tạo ra một từ trường truyền xung trực tiếp đến dụng cụ nấu. Các xung từ tính này làm nóng dụng cụ nấu. Thành phố San Jose

Để có hiệu suất tốt nhất, bếp từ và bếp từ cần hoạt động ở tần số từ trường cao - điển hình là 24KHz. Họ cũng yêu cầu nồi làm từ vật liệu mà từ trường không dễ dàng đi qua. Các kim loại có hàm lượng sắt hoặc niken cao hấp thụ từ trường, vì vậy chúng là những lựa chọn hiệu quả nhất để nấu bằng cảm ứng. Sắt hấp thụ từ trường dễ dàng hơn niken và ít tốn kém hơn nhiều, vì vậy các vật liệu làm từ sắt thường được sử dụng cho các dụng cụ nấu bếp cảm ứng từ.

Đáp ứng nhanh hơn và an toàn hơn, nhưng đắt hơn

Vì bếp từ cần một thứ gì đó để hấp thụ từ trường để tạo ra nhiệt, nên về bản chất, chúng an toàn hơn bếp điện truyền thống. Đặt tay lên bếp sẽ không làm nóng bàn tay của bạn đến mức đáng chú ý. Và vì các hệ thống này làm nóng dụng cụ nấu mà không làm nóng trực tiếp bếp, nên bếp sẽ nguội nhanh sau khi lấy dụng cụ nấu ra, giúp giảm nguy cơ bỏng.

Bản thân dụng cụ nấu nướng có xu hướng nóng lên và nguội đi nhanh chóng, và khả năng kiểm soát nhiệt độ rất chính xác - một trong những đặc tính quan trọng tạo nên giá trị nấu nướng trong bếp gas. Một điểm cộng nữa là bếp từ thường có bề mặt nhẵn - thường là kính hoặc gốm - nên rất dễ lau chùi.

Bếp điện từ hiện đại tiết kiệm điện năng như bếp điện truyền thống và gấp đôi so với bếp gas. Nhưng điều này không nhất thiết có nghĩa là chúng hoạt động ít tốn kém hơn. Ở nhiều vùng của Hoa Kỳ khí đốt tự nhiên rẻ hơn nhiều so với điện, đôi khi bằng hệ số ba hoặc bốn. Điều này phần nào giải thích sự chấp nhận rộng rãi hơn đối với bếp từ ở Châu Âu, nơi cho đến gần đây khí đốt tự nhiên đắt hơn nhiều so với điện.

Một yếu tố khác đã ảnh hưởng đến việc áp dụng là bếp từ và bếp nấu thường đắt hơn bếp gas hoặc bếp điện truyền thống, mặc dù về cơ bản không phải như vậy. Và người nấu sẽ phải thay nồi nhôm, đồng, inox không nhiễm từ và nồi sứ, không loại nào hoạt động hiệu quả trên bếp từ. Một cách kiểm tra nhanh là nếu nam châm dính vào đáy nồi thì nồi sẽ hoạt động trên bếp từ.

Bất chấp những yếu tố này, tôi kỳ vọng rằng các sắc lệnh giảm sử dụng khí đốt tự nhiên sẽ dẫn đến việc mở rộng sử dụng bếp từ và bếp nấu. Các biện pháp này thường tập trung vào các tòa nhà mới xây dựng, vì vậy chúng sẽ không yêu cầu chuyển đổi đắt tiền của những ngôi nhà hiện có.

Những người trẻ độc thân và các gia đình chuyển đến những nơi ở mới này có thể chưa mua được nhiều dụng cụ nấu nướng, và có khả năng đánh giá cao sự an toàn của cảm ứng từ, đặc biệt nếu họ có trẻ em. Và những người đầu tiên sẵn sàng trả nhiều tiền hơn cho điện từ các nguồn xanh, hoặc cho một chiếc xe hybrid hoặc xe điện, có thể không buồn về việc trả thêm vài trăm đô la cho một bếp từ và chảo hoạt động với nó.

Ở cấp quốc gia, Hoa Kỳ có thể áp dụng một số hình thức định giá carbon trong tương lai gần, điều này sẽ làm tăng chi phí khí đốt tự nhiên. Và cũng ngày càng có nhiều mối quan tâm về ô nhiễm không khí trong nhà từ các thiết bị gas. Hơn một thế kỷ sau khi nó được đề xuất lần đầu tiên, ngày nấu ăn bằng cảm ứng từ trong ánh nắng mặt trời có thể đã đến.

Lưu ý

Kenneth McLeod, Giáo sư Khoa học Hệ thống và Giám đốc, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Khoa học Lâm sàng và Kỹ thuật, Đại học Binghamton, Đại học Bang New York

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.