인덕션 레인지에 알루미늄 냄비를 쓸 수 없는 이유

처남이 무슨 행사에서 얻은 인덕션 레인지를 절반 가격에 우리에게 넘겼다. 설명서에 따르면 자석이 잘 붙는 재질의 기구만 사용할 수 있다. 왜? 인덕션 레인지의 원리는 알고 있다. 코일에 전류가 흐를 때 가까이에 있는 금속에 유도 전류가 발생하고, 저항에 의해 열이 발생한다.

은, 구리, 알루미늄의 전기 전도율이 철보다 높으니 이런 재질로 이루어진 냄비를 쓰지 못할 이유가 없을 것 같다. 시험해보니 실망스럽게도 갖고 있는 여러 냄비와 팬이 인덕션 레인지에 사용할 수 없다. 

주파수가 높을수록 도체 표면으로 전류가 집중하는 현상을 표면 효과(skin effect)라고 하고, 그때 전류가 흐르는 깊이를 표면 깊이(skin depth)라고 한단다.

24 kHz에서 (인덕션 레인지가 대략 이 주파수를 사용하는 듯) 표면 깊이와 透磁率(permeability)이 다음과 같다고 한다. 

	상대적 투자율	표면 깊이 (mm)	상대적 표면 저항
구리	1	0.43	1
알루미늄	1	0.56	1.28
스테인리스강 304	1	2.8	6.5
탄소강 1010	200	0.1	56.25
스테인리스강 432	200	0.18	87.5

표면 깊이가 깊을수록 저항이 약하다. 투자율(자성체가 자기화하는 정도)이 높고 표면 깊이가 얕아야 표면 저항이 커서 강한 열이 발생한다. 투자율은 여기에서 무슨 상관일까? 투자율이 높으면 표면 깊이를 낮추어 표면에 전류를 집중시켜 결과적으로 저항이 커진다. 스테인리스 냄비는, 합금 비율에 따라, 복불복이다. 구리와 알루미늄은, 쉽게 말해, 전기가 너무 잘 통해 인덕션 냄비로 쓸 수 없다는가 보다.

여기서 자력이 왜 어떻게 생기는지 궁금해졌다. 대부분의 물질은 반자성체(diamagnetic)이고, 강자성체(ferromagnetic)는 철, 니켈, 코발트뿐이라고 한다. 강자성체는 자석을 (또는 자기장을) 만나면 원자들이 (양자역학적으로 원자의 스핀이 어쩌고 하는 얘기가 있는데, 그렇게 깊이 들어가고 싶지 않다.) 자기장과 같은 방향으로 배열된다.

자석의 N극에 가까운 쇳가루 하나는 그 자체로 S-N이 되고 그것에 가까운 다른 쇳가루도 S-N이 된다.  결과적으로 이렇게 달라붙게 된다.
N(S-N)(S-N)(S-N) 

반자성체라는 것은 반대로 된다는 뜻이다.
N(N-S)...()

우리 몸을 비롯하여 모든 생명체는 반자성체인데, 이 말대로라면 아주 강력한 자석으로 알몸인 사람을 밀쳐낼 수 있다. 실제로 안드레 가임이라는 물리학자가 자석으로 개구리를 띄운 적이 있다고 한다.

그렇다면 자력이라는 게 왜 생기는 것일까? 자연 상태에서 자성을 띄는 물질은 많지 않지만 전기장으로도 자력을 만들어낼 수 있으니까. 아인슈타인의 특수상대성이론으로 설명할 수 있다고.