COMMENT ÇA MARCHE

Fréquences - Pénétration des ondes

  • Conséquences

Thermique et propriétés des matériaux

  • Fréquences des ondes

  • Effet de la température

  • Temps d'échauffement

Conséquences pour maîtriser les micro-ondes

FRÉQUENCE - PÉNÉTRATION DES ONDES


Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques dont les fréquences utilisables pour échauffer la matière sont attribuées par un Comité International.

  • La fréquence de 2,45 GHz (2450 MHz) peut être librement utilisée dans le monde entier ce qui explique sa diffusion en masse (200 millions de fours micro-ondes, par exemple). Sa longueur d'onde, en espace libre est voisine de 12 cm (quotient de la vitesse de la lumière par la fréquence). Elle est réduite de Öe dans un matériau en permittivité e  .
  • La fréquence de 915 MHz n'est utilisable librement qu'en Amérique du nord. En Europe, son utilisation sévèrement  réglementée limite fortement sa diffusion. Sa longueur d'onde, en espace libre, est voisine de 32 cm.

Conséquences

La pénétration d'une onde dans un matériau étant de l'ordre de grandeur de sa longueur d'onde, on en conclut immédiatement que : 

  • La pénétration des micro-ondes s'exprime en cm ou dm,
  • La pénétration des ondes de plus basses fréquences (HF, MF, BF) s'exprime en m,
  • La pénétration des ondes lumineuses et infra-rouges s'exprime en microns.

Par conséquent, les matériaux à traiter dont l'épaisseur s'exprime en cm et dm présentent un couplage optimal avec les micro-ondes.

Les matériaux de plus grand volume présentent un couplage optimal avec les fréquences plus basses (HF ou radiofréquences, MF etc).

Les matériaux très minces ou destinés à un traitement de surface sont à traiter par les ondes lumineuses (IR ou lumière).

THERMIQUE ET PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX

Les ondes électromagnétiques dont les fréquences sont limitées à quelques dizaines de GHz manifestent leurs actions par l'intermédiaire de leur champ électrique. On est dans le domaine de l'ELECTRICITE.

Aux fréquences plus élevées, on est dans l'OPTIQUE puis dans les RAYONNEMENTS IONISANTS.


Dans le domaine "ondes électriques", le champ électrique alternatif agit principalement

1 - Par une action sur les charges électriques conductrices (électrons, ions) qui produit un effet de frottement de charges (effet Joule).

2 - Par une action sur les molécules dites "polaires" qui s'orientent dans le champ électrique comme une boussole dans un champ magnétique (effet dipolaire). Par un effet imagé de frottement des dipôles, on consomme également de l'énergie (dissipation par relaxation).

Ces 2 types de transformation de l'énergie électrique peuvent être également traduits en absorption par le matériau provocant ainsi un échauffement interne qui dépend : 

  • de la nature des matériaux,
  • de la fréquence des ondes d'excitation,
  • de la température.

Pour ce qui concerne la fréquence des ondes utilisées, les effets de la conduction (effet Joule) décroissent régulièrement lorsque la fréquence croît. Ils deviennent assez faibles en micro-ondes mais peuvent être intensifiées si on introduit beaucoup de charges dans le matériau (caoutchouc).

Ce phénomène de relaxation n'existe que dans les "bandes de relaxation dipolaire" dont les fréquences sont logiquement d'autant plus élevées que la masse moléculaire est faible. Ce phénomène commence à exister au-dessus de 100 MHz; il est maximal aux fréquences micro-ondes.

Effective lost factor of a hererogeneous dielectric exhibiting 

dipolar and tail end conductivity losses (d'après METAXAS, 1983)
 
Par exemple, on sait que les molécules d'eau sont de nature dipolaire (liés à al dissymétrie de la structure H-O-H) et de très faible masse. Leur bande de relaxation dipolaire présente donc des caractéristiques d'absorption intense en micro-ondes (au-dessus de 1 GHz), notamment pour les produits très hydratés (IAA, par exemple).

Temps d'échauffement
La transformation de l'énergie électrique en énergie thermique se faisant à l'intérieur du matériau par les processus que nous avons décrits, les temps de montée de la température sont très rapides en micro-ondes, avec un démarrage immédiat (tangente oblique) contrairement aux autres procédés d'échauffement classiques par paroi chaude (tangente horizontale).
CONSÉQUENCES POUR MAITRISER LES MICRO-ONDES

Le choix des fréquences micro-ondes pour une transformation des matériaux repose sur des critères uniques, qui ne sont transposables ni pour les plus basses fréquences (HF ou radiofréquences, MF, BF) ni pour les plus hautes (IR, lumière, UV).

 

1 - Les micro-ondes sont associés à des longueurs d'ondes centimétriques ou décimétriques qui sont à l'échelle des matériaux traités donc très bien couplés au matériau, notamment pour la profondeur de pénétration des ondes.

2 - La thermique des micro-ondes met en jeu le phénomène de relaxation dipolaire très efficace qui lui est propre. La maîtrise de ce phénomène découle de la connaissance des variations thermiques de l'absorption pour les matériaux traités (voir "mesures diélectriques"). Cette maîtrise permet de prévoir le mécanisme d'échauffement liquide-solide (homogénéité accrue ou emballement).

3 - Le choix de la fréquence de 2,45 GHz est particulièrement favorable pour échauffer les produits mixtes (liquide = solide) de façon homogène, en un temps très court.