Kompor induksi: arus pusar dan pemanasan induksi, panci yang cocok, frekuensi kerja dan inverter, efisiensi dibanding pemanas resistif dan gas, gangguan umum, dan keselamatan

Stasiun omelet di dapur sarapan sebuah hotel memakai dua kompor induksi tanam. Pagi itu juru masak menaruh panci aluminium untuk sup di zona kiri; layar berkedip, kompor berbunyi, dan panci tetap dingin. Wajan baja tahan karat dari dapur banquet panas jauh lebih lambat. Setengah jam kemudian zona kanan mati sendiri dan layar menampilkan kode galat, sementara kipas di bawah meja terus berbunyi; ternyata sebuah kotak penyimpanan diletakkan menutup lubang udara kabinet. Setelah wajan diangkat, seorang pramusaji menyeka kaca yang ia kira dingin karena "induksi tidak memanaskan kaca", dan jarinya melepuh. Penyelia lalu bertanya apakah rekannya yang memakai alat pacu jantung boleh bertugas di stasiun itu. Semuanya dijelaskan fisika induksi, dan sebagian besar tidak memerlukan obeng.

Batas pembahasan

Hukum Faraday dan Lenz, induktansi, laminasi, dan rugi histeresis dibahas di Bab 11 tentang magnet dan induksi. Inverter, sakelar daya, dan PWM dibahas di Bab 8 · Otomotif & Mobilitas Listrik tentang motor traksi dan inverter, dan arsitektur penyearah, tautan DC, dan inverter di Bab 67 tentang VFD. Frekuensi jaringan 50 Hz dibahas di Bab 4 tentang arus bolak-balik, pelat nama, energi, dan biaya alat pemanas resistif di Bab 97 tentang alat pemanas listrik, kotak kontak dan sirkit akhir di Bab 32, proteksi kejut listrik di Bab 21, peralatan masak gas di Bab 1 · Dapur Komersial tentang peralatan masak gas komersial, dan termistor sebagai sensor suhu di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor. Bab ini membahas pemanasan induksi untuk memasak dari sisi teknisi dan penyelia dapur.

Bab ini tidak mengizinkan membuka kompor: papan inverter bekerja dengan tegangan jaringan yang disearahkan, dan perbaikannya milik teknisi servis berwenang menurut manual pabrik.

Dari hukum Faraday ke arus pusar di dasar panci

Michael Faraday melakukan percobaan pertama tentang medan magnet yang berubah terhadap waktu pada 1831, dan arus yang berubah di satu rangkaian menginduksi arus di rangkaian lain di dekatnya. Hukum Faraday menyatakan GGL induksi sebagai laju perubahan fluks magnet:

$\varepsilon = -N\,\frac{d\Phi_m}{dt}, \qquad \Phi_m = B A \cos\theta$

dengan $\varepsilon$ GGL (V), $N$ jumlah lilitan, $\Phi_m$ fluks magnet (Wb, sama dengan T·m²), $B$ kuat medan (T), $A$ luas (m²), dan $\theta$ sudut antara medan dan garis normal bidang. Tanda minus adalah hukum Lenz: arah GGL selalu melawan perubahan fluks penyebabnya, sesuai dengan kekekalan energi.

Pada kompor induksi, kumparan datar di bawah kaca adalah rangkaian pertama dan dasar panci, lempeng logam tanpa kawat, adalah rangkaian kedua. Medan magnet yang berubah menginduksi medan listrik nonkonservatif di mana saja, ada konduktor atau tidak; bila ada konduktor, medan itu menggerakkan arus. Pada lingkar berjari-jari $r$ yang simetris, besarnya

$E = \frac{\varepsilon}{2\pi r}$

dengan $E$ dalam V/m.

Arus pusar (eddy current) adalah arus melingkar yang terinduksi di dalam konduktor pejal oleh fluks magnet yang berubah. Arus pusar sering dikaitkan dengan GGL gerak, tetapi pada kompor induksi panci diam dan medannya yang berubah, sehingga yang bekerja adalah medan listrik induksi di atas. Kompor induksi mempunyai elektromagnet di bawah permukaannya; medan magnetnya diubah dengan cepat, menimbulkan arus pusar di dasar panci, sehingga panci dan isinya menjadi panas. Pemanasan induksi (induction heating) adalah pemanasan benda penghantar listrik oleh arus pusar yang dibangkitkan medan magnet bolak-balik dari kumparan di dekatnya. Dalam teknik manufaktur, pemanasan induksi memakai arus bolak-balik untuk memanaskan permukaan suatu benda.

Arus pusar praktis tidak terbentuk di bahan isolator, dan pelat logam yang dibelah alur arus pusarnya jauh lebih lemah karena lingkar arusnya terpotong. Akibatnya kaca, keramik, dan kayu tidak dipanaskan langsung oleh kumparan, dan dasar panci yang retak atau berlubang dapat berubah perilakunya.

Pemanasan Joule, resistivitas, dan kedalaman kulit

Arus pusar mengalir melalui logam yang beresistansi, sehingga energinya menjadi panas, seperti kumparan yang memanas selama medan di sekitarnya berubah. Daya per volume sebanding dengan $J^2\rho$, dengan $J$ rapat arus (A/m²) dan $\rho$ resistivitas (Ω·m). Resistivitas pada 20 °C:

Resistivitas logam naik bila suhu naik, mengikuti $\rho \approx \rho_0[1 + \alpha(T - T_0)]$ dengan $T_0 = 20$ °C, dan rumus ini perlu dipakai dengan hati-hati untuk perubahan suhu di atas 100 °C.

Medan bolak-balik tidak menembus logam secara merata. Lembar konduktor beresistivitas rendah di dalam medan yang berosilasi pada frekuensi tinggi melindungi ruang di baliknya, karena medan dari arus induksinya melawan medan asal; medan statis tidak terlindungi. Arus pusar karena itu berkumpul di lapisan dekat permukaan yang menghadap kumparan. Kedalaman kulit (skin depth) adalah kedalaman di bawah permukaan konduktor tempat rapat arus bolak-balik turun menjadi kira-kira 37 persen dari nilainya di permukaan. Rumusnya:

$\delta = \sqrt{\frac{\rho}{\pi f \mu_0 \mu_r}}, \qquad R_s = \frac{\rho}{\delta}$

dengan $\delta$ kedalaman kulit (m), $f$ frekuensi (Hz), $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ T·m/A, $\mu_r$ permeabilitas relatif bahan, dan $R_s$ resistansi permukaan (Ω), yaitu resistansi selembar lapisan setebal $\delta$ untuk luas persegi berapa pun. Untuk arus kumparan yang sama, daya yang menjadi panas di dasar panci kira-kira sebanding dengan $R_s$; rumus ini cukup untuk perbandingan, bukan rancangan.

Mengapa panci feromagnetik bekerja lebih baik

Kompor induksi efisien dan cepat tanggap bila dasar panci terbuat dari konduktor seperti besi atau baja. Rumus kedalaman kulit menunjukkan tiga sebabnya.

1. Resistivitas lebih tinggi. Baja beresistivitas sekitar dua belas kali tembaga dan tujuh setengah kali aluminium menurut tabel di atas, sehingga untuk arus pusar yang sama panas yang timbul lebih besar.
2. Permeabilitas tinggi. Bahan feromagnetik (ferromagnetic material) adalah bahan yang dipol magnet atomnya tersusun dalam domain dan ikut terarah kuat oleh medan luar, sehingga medan di dalamnya jauh lebih besar daripada medan yang diberikan. Selain besi, hanya kobalt, nikel, gadolinium, dan disprosium yang bersifat demikian, beserta banyak paduannya, dan suseptibilitasnya berorde 10³ sampai 10⁴ serta bergantung pada riwayat magnetisasinya. Nilai $\mu_r$ yang besar memperkecil $\delta$, sehingga arus terkurung di lapisan sangat tipis dan $R_s$ naik (Contoh 3).
3. Rugi histeresis. Rugi histeresis (hysteresis loss) adalah energi yang menjadi panas setiap kali bahan feromagnetik dimagnetisasi bolak-balik mengikuti lengkung histeresisnya. Bab 11 tentang magnet dan induksi mencatat bahwa rugi ini sebanding dengan frekuensi; pada trafo rugi itu dibuang-buang, pada panci justru dimanfaatkan.

Panci aluminium atau tembaga biasa dan baja tahan karat nonmagnetis memberi $R_s$ kecil, sehingga kendali sering menolaknya sebagai "tidak ada panci". Uji praktisnya magnet: magnet dapat memisahkan bahan feromagnetik dari bahan lain, sehingga magnet yang menempel kuat di dasar panci menandakan dasar feromagnetik. Jenis panci, diameter minimum, dan kerataan dasar mengikuti manual pabrik. Dasar cekung atau panci yang tidak di tengah zona menangkap lebih sedikit fluks dan memperbesar medan sasar di sekitar kompor.

Frekuensi kerja, inverter, dan kumparan

Hukum Faraday menunjukkan bahwa GGL sebanding dengan laju perubahan fluks, jadi untuk medan yang sama GGL naik sebanding dengan frekuensi. Pada 50 Hz, frekuensi jaringan Indonesia menurut Bab 4 tentang arus bolak-balik, GGL di dasar panci sangat kecil dan kedalaman kulit aluminium lebih dari satu sentimeter (Contoh 1 dan 2). Kompor induksi karena itu bekerja pada frekuensi jauh lebih tinggi, umumnya puluhan kilohertz, sekitar 20 sampai 100 kHz. Rentang ini belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 22 Oktober 2026, sehingga frekuensi satu unit tertentu hanya dibaca dari manual atau lembar data pabriknya.

Rantai dayanya mirip penggerak motor: tegangan jaringan disearahkan, ditapis di tautan DC, lalu dipotong oleh sakelar daya menjadi tegangan bolak-balik berfrekuensi tinggi yang mengalir ke kumparan. Arsitektur penyearah, tautan DC, dan inverter ada di Bab 67 tentang VFD, sedangkan sakelar daya IGBT atau MOSFET dan PWM ada di Bab 8 · Otomotif & Mobilitas Listrik tentang motor traksi dan inverter. Inverter (inverter) adalah rangkaian elektronik daya yang mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik dengan menghidupkan dan mematikan sakelar semikonduktor berulang-ulang. Banyak kompor induksi memadukan kumparan dengan kapasitor menjadi rangkaian resonansi, dan daya diatur dengan menggeser frekuensi atau lebar pulsa; pada setelan rendah sebagian unit menyalakan dan mematikan daya berselang beberapa detik, dan rinciannya mengikuti manual pabrik.

Sakelar daya, penyearah, dan kumparan sendiri juga memiliki rugi, sehingga kompor mempunyai kipas, sirip pendingin, dan sensor suhu elektronika; sensor suhu di bawah kaca pada banyak unit berupa termistor seperti dibahas di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor.

Efisiensi dibanding pemanas resistif dan gas

Efisiensi pemindahan energi (energy transfer efficiency) adalah bagian energi masukan alat masak yang benar-benar sampai ke panci dan isinya. Rumusnya

$\eta = \frac{Q_\text{berguna}}{E_\text{masukan}}, \qquad Q_\text{berguna} = m c \Delta T$

dengan $m$ massa (kg), $c$ kalor jenis (J/(kg·°C)), dan $\Delta T$ kenaikan suhu (°C); kalor jenis air 4.186 J/(kg·°C) dan besi atau baja 452 J/(kg·°C).

Menurut program resmi ENERGY STAR di AS untuk kompor induksi rumah tangga, kompor induksi sekitar 5 sampai 10 persen lebih efisien daripada kompor resistif listrik konvensional dan sekitar tiga kali lebih efisien daripada kompor gas, dan permukaannya yang lebih dingin mengurangi beban tata udara karena lebih sedikit panas terbuang ke udara sekitar. Sebuah artikel bangunan hijau yang mengutip kajian Lawrence Berkeley National Laboratory untuk Departemen Energi AS menyebut sekitar 40 persen untuk gas, 74 persen untuk elemen spiral dan permukaan kaca, dan 84 persen untuk induksi. Kedua set angka itu tidak sepenuhnya cocok: 84 dibagi 74 memberi sekitar 14 persen dan 84 dibagi 40 sekitar 2,1 kali. Perbedaannya menunjukkan bahwa efisiensi bergantung pada metode uji, ukuran panci, dan setelan.

Per 22 Oktober 2026 belum ditemukan angka efisiensi dari lembaga resmi Indonesia, juga tidak untuk kompor induksi komersial, dan data ENERGY STAR berlaku untuk produk rumah tangga di AS. Perbandingan biaya bergantung pada tarif listrik dan harga gas setempat; cara menghitung energi dan biaya per kWh ada di Bab 97 tentang alat pemanas listrik, dan sisi pembakaran gas di Bab 1 · Dapur Komersial tentang peralatan masak gas komersial. Di dapur hotel, keuntungan kedua yang disebut ENERGY STAR, panas yang lebih sedikit ke ruang, sering sama pentingnya dengan angka efisiensi.

Gangguan umum: panci tidak terdeteksi, kipas, dan kode galat

Sebagian besar keluhan kompor induksi tidak memerlukan pembongkaran. Tabel berikut disusun dari fisika di atas; simbol, bunyi, dan kode yang persis berbeda antarpabrik dan hanya dibaca dari manual pabrik.

Kipas yang berputar beberapa saat setelah memasak adalah perilaku umum karena elektronika masih panas. Urutan diagnosis yang benar: periksa panci, posisi, dan aliran udara lebih dulu, baru catat kode galat dan bandingkan dengan tabel manual pabrik. Kode galat bukan alasan membuka casing; menu servis dan pengujian papan daya milik teknisi servis berwenang. Bila kompor portabel sering memutus MCB atau kotak kontaknya panas, persoalannya ada di sirkit akhir dan kotak kontak menurut Bab 32 tentang sirkit akhir dan Bab 97 tentang alat pemanas listrik, bukan di kompornya.

Keselamatan: permukaan panas, implan medis, dan batas wewenang

Kaca tetap panas. Kumparan tidak memanaskan kaca secara langsung, tetapi dasar panci yang panas menghantarkan panas ke kaca di bawahnya secara konduksi, seperti panas dari dasar panci ke makanan. Setelah panci diangkat, kaca di zona itu dapat tetap cukup panas untuk melukai kulit, seperti pada kasus pembuka. Tanda panas sisa pada banyak unit membantu, tetapi kaca yang tidak bertanda belum tentu dingin.

Benda logam di atas zona. Redaman magnet oleh arus pusar bekerja pada semua logam, tidak hanya yang feromagnetik. Sendok, pisau, tutup kaleng, atau kertas aluminium di atas zona yang menyala dapat menjadi sangat panas. Kaca yang retak menghentikan pemakaian karena kumparan dan papan daya bertegangan berada di bawahnya.

Implan medis. Kajian model kasus terburuk di jurnal EP Europace (2006) melaporkan bahwa tegangan induksi pada model selalu dapat ditekan sampai paling besar 60 mV dengan menjaga jarak 35 cm, dan menyimpulkan bahwa pasien berisiko bila implannya unipolar dan di sisi kiri, bila ia berdiri sedekat mungkin dengan kompor, dan bila panci tidak sepusat dengan kumparan. Kajian klinis Rickli dan rekan (2003) pada 40 pasien berpacu jantung yang berdiri sekitar 20 cm dari kompor induksi berdaya maksimum tidak menemukan gangguan alat pacu selama uji. Bab ini tidak menilai keamanan orang tertentu: pemakai implan diarahkan ke dokternya dan petunjuk pabrik implan, peringatan manual kompor dibaca, dan panci dijaga di tengah zona.

Batas wewenang. Kompor induksi memakai tegangan jaringan, dan kapasitor tautan DC pada rangkaian semacam ini dapat tetap bermuatan setelah steker dicabut, seperti kapasitor tautan DC yang dibahas di Bab 8 · Otomotif & Mobilitas Listrik tentang motor traksi dan inverter. Proteksi kejut listrik dan kelas peralatan ada di Bab 21. Teknisi gedung boleh memeriksa steker, kabel, kotak kontak, dan aliran udara; membuka casing, mengganti kipas, dan memeriksa papan daya mengikuti manual servis pabrik dan orang berkompeten.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: GGL di satu lingkar dasar panci. Medan bolak-balik dengan puncak $B_0 = 5$ mT pada 25 kHz menembus dasar panci. Untuk lingkar berjari-jari 0,10 m, $A = \pi \times 0{,}10^2 = 0{,}0314$ m² dan $\omega = 2\pi \times 25.000 = 1{,}571 \times 10^5$ rad/s. GGL puncak $= \omega B_0 A = 24{,}7$ V dan medan listrik induksi $E = 24{,}7/(2\pi \times 0{,}10) = 39$ V/m. Pada 50 Hz, GGL yang sama hanya $0{,}049$ V, lima ratus kali lebih kecil.

Contoh 2: kedalaman kulit aluminium dan tembaga pada 25 kHz. Dengan frekuensi Contoh 1 dan $\mu_r = 1$: tembaga $\delta = \sqrt{1{,}68 \times 10^{-8}/(\pi \times 25.000 \times 4\pi \times 10^{-7})} = 0{,}41$ mm dan aluminium $0{,}52$ mm. Resistansi permukaannya $4{,}1 \times 10^{-5}$ Ω dan $5{,}1 \times 10^{-5}$ Ω. Pada 50 Hz, kedalaman kulit aluminium 11,6 mm, lebih tebal daripada dasar panci mana pun.

Contoh 3: dasar baja feromagnetik. Untuk baja $\rho = 20{,}00 \times 10^{-8}$ Ω·m dan $\mu_r = 100$ (permeabilitas efektif pada medan kuat, jauh di bawah suseptibilitas berorde 10³ sampai 10⁴ di atas): $\delta = 0{,}14$ mm dan $R_s = 1{,}4 \times 10^{-3}$ Ω. Perbandingannya sekitar 27 kali aluminium dan 35 kali tembaga. Bila baja yang sama dianggap tidak bermagnet ($\mu_r = 1$), $\delta = 1{,}42$ mm dan perbandingannya terhadap aluminium hanya 2,7 kali. Sebagian besar keunggulan panci besi datang dari permeabilitasnya.

Contoh 4: memanaskan 5 liter air. Air 5,0 kg dari 25 °C ke 100 °C memerlukan $Q = 5{,}0 \times 4.186 \times 75 = 1{,}57 \times 10^{6}$ J, yaitu 0,436 kWh. Dengan daya masukan 2,0 kW dan efisiensi 0,85, waktunya $1{,}57 \times 10^{6}/(2.000 \times 0{,}85) = 923$ s, sekitar 15,4 menit. Panas untuk panci dan uap yang lepas tidak dihitung.

Contoh 5: arus dari pelat nama. Kompor dua zona berpelat nama 3,5 kW, 230 V menarik sekitar $3.500/230 = 15{,}2$ A pada daya penuh, sedangkan unit portabel 2,0 kW menarik 8,7 A. Arus sebesar itu dibandingkan dengan rating kotak kontak, steker, kabel, dan pengaman sirkitnya, dan cara penyambungan unit tanam mengikuti manual pabrik dan aturan sirkit akhir di Bab 32.

Contoh 6: daya rata-rata pada setelan rendah. Unit yang pada setelan rendah menyala 2 s pada 1,2 kW lalu mati 3 s memberi daya rata-rata $1.200 \times 2/5 = 480$ W. Selama 30 menit energinya $480 \times 0{,}5/1.000 = 0{,}24$ kWh.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian dan serahkan ke teknisi servis berwenang bila:

1. Kaca retak, pecah, atau terkelupas, termasuk retak rambut, karena bagian bertegangan berada tepat di bawahnya.
2. Kode galat yang sama muncul lagi setelah panci, posisi, dan aliran udara diperbaiki dan kompor dibiarkan dingin sesuai manual pabrik.
3. Tercium bau hangus atau terlihat asap dari bawah kaca atau kabinet, atau terdengar bunyi letupan dari dalam unit.
4. Steker, kabel, atau kotak kontak terasa panas, berubah warna, atau MCB dan RCD berulang kali memutus; ikuti Bab 32 dan Bab 21 tentang sirkit akhir dan proteksi kejut listrik.
5. Ada permintaan untuk membuka casing, menjembatani sensor suhu, atau mengganti papan daya oleh orang tanpa kompetensi dan tanpa manual servis pabrik; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang kondisi berhenti.
6. Pemakai implan medis merasa pusing, berdebar, atau tidak nyaman di dekat kompor: ia menjauh, dan penilaian keamanannya diserahkan ke dokter yang menangani.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Fisika induksi berasal dari Bab 11 tentang magnet dan induksi, papan dayanya dari Bab 67 dan Bab 8 · Otomotif & Mobilitas Listrik tentang penyearah, tautan DC, dan inverter, dan beban listriknya dari Bab 97 dan Bab 32 tentang alat pemanas dan sirkit akhir. Pembanding gas ada di Bab 1 · Dapur Komersial tentang peralatan masak gas komersial, dan kondisi berhenti umum di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti. Gelombang elektromagnetik berfrekuensi jauh lebih tinggi yang memanaskan air secara langsung dibahas di Bab 101 tentang oven gelombang mikro.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

Referensi