Jak to działa? Cz. 4: piekarnik elektryczny

Piekarnik to kolejny ze sprzętów codziennego użytku, nad działaniem którego rzadko się zastanawiamy. Po prostu jest i pełni swoją rolę. Co naprawdę musi się stać, aby niedzielny kurczak upiekł się jak należy?

Piekarnik elektryczny działa na zasadzie podobnej do elektrycznego czajnika albo... żarówki. Podstawa działania takich urządzeń w rzeczywistości jest prosta: wykorzystują one elementy grzejne i termostat.

Grzałki, jak potocznie nazywane są elementy grzejne, są podobne do żarników w tradycyjnej żarówce – to materiały, które rozgrzewają się, kiedy przepływa przez nie prąd. Nie są jednak wykonane z wolframu, bo przecież nikomu nie zależy na tym, aby energia była konwertowana na światło. Poza tym muszą wydzielać więcej ciepła niż żarówka, a przy tym być trwalsze. Wykorzystuje się m.in. stop niklowo-chromowy, który topnieje w bardzo wysokich temperaturach – około 1400 st. C, a jednocześnie jest odporny na utlenianie. Innymi słowy: nie pokrywa się rdzą.

Kształty grzałek bywają zaskakująco wymyślne. Niekiedy elementy te przybierają kształt kwadratu, niekiedy fali, niekiedy gwiazdy – wszystko zależy od tego, w jaki sposób według producenta ciepło jest efektywniej rozprowadzane po całej komorze.

Korzystając z piekarnika elektrycznego, można zauważyć, że nie działa on nieprzerwanie. W pewnym momencie wyłącza się, a następnie włącza po kilkunastu minutach, czy też po tym, jak otworzymy drzwiczki. To efekt działania termostatu, który kontroluje temperaturę wewnątrz komory piekarnika.

Termostat działa w pewnych granicach – temperatura nie jest więc przez cały czas idealnie równa. Kiedy osiągnie pożądaną wartość, grzałki są wyłączane i temperatura powoli spada. Kiedy zbliży się do dolnej granicy tolerancji, znów zaczynają działać. Ale skąd piekarnik wie, że jest wystarczająco gorąco?

Termostaty mechaniczne to stosunkowo proste urządzenia, które wykorzystują zjawisko rozszerzalności metali. Choć ich budowa może się różnić, działają na podobnej zasadzie.

Elementem obwodu elektrycznego jest metal zmieniający kształt pod wpływem ciepła. Po włączeniu zasilania, gdy grzałka zaczyna generować ciepło, metal rozszerza się i wygina. Kiedy odegnie się w wystarczającym stopniu, obwód elektryczny zostaje przerwany. Innymi słowy, dopływ prądu zostaje zatrzymany, a grzałka przestaje pracować. Kiedy metal wystarczająco się ochłodzi, wróci do pierwotnego kształtu, prąd znów będzie płynąć, a grzałka – generować ciepło. W przypadku piekarników temperatura powinna być mierzona we wnętrzu komory, a nie blisko grzałki, więc do przewodzenia ciepła do termostatu można wykorzystać długą, pustą w środku rurkę.

Nie jest to jedyny sposób projektowania termostatów. Mogą one składać się np. z dwóch elementów przedzielonych przestrzenią wypełnioną gazem. Gaz rozszerza się pod wpływem ciepła i sprawia, że jeden z dysków przesuwa się, naciskając przełącznik przerywający obwód elektryczny. Po ochłodzeniu elementy wracają na swoje miejsce, wyłączając blokadę.

Stosowane są także termostaty elektroniczne, te jednak są pozbawione części ruchomych. Wykorzystują one termistory, czyli oporniki, których rezystancja – zdolność przewodzenia prądu – w dużym stopniu zależy od temperatury. Ale czym jest sam opornik? To element, który ogranicza przepływ prądu, konwertując energię elektryczną w ciepło.

Ciepło wydzielane pod wpływem energii elektrycznej - brzmi znajomo? Nic dziwnego. Właśnie na opornikach bowiem opiera się konstrukcja elementów grzejnych w piekarnikach. W przypadku termostatów służą one jednak nie do generowania ciepła, ale do przekazywania informacji o temperaturze do układów elektronicznych termostatu. Następnie urządzenie reguluje działanie grzałki według wybranego programu.

Współczesny piekarnik nie obejdzie się bez szeregu dodatkowych funkcji. Najważniejszą z nich jest termoobieg. Jego nazwa brzmi fachowo, ale działanie urządzenia sprowadza się do zastosowania wentylatora, który porusza rozgrzane powietrze. Przy wentylatorze także może znajdować się odrębna grzałka.

Czemu warto mieć termoobieg? Ponieważ dzięki temu, że powietrze się porusza, na środkowej półce może być tak samo gorąco, jak na bliższym grzałkom półkach górnej i dolnej. To zaś sprawia, że grzałki nie muszą pracować z pełną mocą, aby rozgrzać całe wnętrze piekarnika. Termoobieg oszczędza energię, czas i pieniądze.

Do dyspozycji mamy jeszcze wiele innych atrakcji, na przykład funkcję grilla. Aktywuje ona znajdujący się w dolnej części odrębny element grzejny – aby, tak jak na prawdziwym grillu, źródło ciepła znajdowało się pod potrawą. Funkcja broil, czyli opiekania, aktywuje grzałkę górną. Pieczenie z funkcją pary wymaga z kolei napełnienia zbiornika z wodą, która zostanie podgrzana. Potrawy wciąż są pieczone, ale para sprawia, że powietrze jest wilgotne. Dzięki temu przyrządzanie potrawy zajmuje mniej czasu i nie grozi jej wysuszenie.

A jak działa stary, dobry piekarnik gazowy? Tu ogólna zasada jest prosta. Odkręcamy dopływ gazu, przystawiamy ogień i gotowe. Grzałki teoretycznie znajdują się w miejscach zapewniających najlepsze rozprowadzanie ciepła po komorze. Bardziej skomplikowany jest sposób, w jaki gaz w ogóle jest dostarczany do naszych domów… ale to materiał na inną opowieść.