I.1.2.2- Interactions micro-ondes - matière
a- Matériaux s'échauffant sous l'action des
micro-ondes
L'expérience de l'utilisation du four à
micro-ondes ménager indique que les aliments s'échauffent en
général très rapidement sous l'effet des micro-ondes. On
remarque également que les matériaux des récipients
contenant les aliments s'échauffent plus ou moins rapidement selon leur
nature. En revanche, les parois métalliques du four restent froides.
En fait, seuls certains matériaux isolants ou mauvais
conducteurs de l'électricité sont capables de s'échauffer
sous l'action des micro-ondes. Au niveau moléculaire, ces
matériaux se présentent comme des entités globalement
neutres d'un point de vue électrique mais avec une répartition
dissymétrique de leurs charges ioniques partielles. Autrement dit, une
partie de la molécule est chargée positivement, l'autre partie
négativement. Ces molécules forment donc des dipôles
électriques.
En l'absence de tout champ électrique, l'orientation de
ces dipôles est plus ou moins aléatoire. Sous l'action d'un champ
électrique, les dipôles s'orientent dans le sens du champ
électrique. Dans un champ électrique alternatif, l'orientation de
chaque dipôle change à chaque alternance du sens du champ
électrique. Dans un champ micro-ondes, à fréquence
élevée, les « frictions » entre les dipôles vont
se traduire par un échauffement du matériau
[9].
L'application d'un champ électrique statique ou
alternatif au sein d'un matériau diélectrique provoque une
déformation des molécules ainsi qu'une réorientation de
ses moments dipolaires permanents. La polarisation diélectrique est
l'effet observé dans un matériau diélectrique soumis
à un champ électrique [9].
Suivant la fréquence du champ électrique, la
polarisation diélectrique est la somme des différents types de
polarisations:
at = a?? + a?? + ad + ai (1)
CHPITRE I APERÇUE BIBLIOGRAPHIQUE
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Avec
át = polarisation totale, áe = polarisation
électronique, áa = polarisation atomique, ád =
polarisation dipolaire, ái = polarisation interfaciale.
La polarisation électronique est un déplacement
des électrons par rapport aux noyaux alors que la polarisation atomique
est un déplacement relatif d'un noyau par rapport à un autre
atome auquel il est lié par liaison covalente. Les deux premières
polarisations (électroniques et atomiques) sont toujours en phase avec
le champ électrique : les phénomènes de polarisation et de
dépolarisation sont plus rapides que le changement d'alternance du champ
électrique. Par conséquent elles ne contribuent pas au
dégagement de chaleur [10].
La polarisation dipolaire est à la base du
dégagement de chaleur : les temps de réponse et les vitesses de
relaxations des dipôles sont du même ordre que la fréquence
d'alternance du champ. Un produit, dépourvu de moment dipolaire
permanent, ne peut donc pas s'échauffer directement sous champ
micro-ondes [10].
La polarisation interfaciale responsable de l'accumulation des
charges à l'interface est similaire à la fréquence de
changement d'orientation du champ [10].
L'énergie électrique est convertie en
énergie cinétique par la rotation des dipôles.
L'énergie cinétique est transformée partiellement en
chaleur : l'alignement des dipôles par rapport au champ électrique
est contrarié par les forces d'interaction entre molécules
(forces de liaison par pont hydrogène, forces de liaisons de Van der
Waals). Ces forces peuvent être assimilées à des forces de
frottement internes qui existent dans les contacts solide-solide. Elles
s'opposent ainsi à la libre rotation des molécules. De la
friction ainsi produite, naît le dégagement de chaleur
[10].
Les fréquences micro-ondes étant
imposées, l'échauffement d'un produit avec une efficacité
maximale est exceptionnel. Dans ce cas, une grande partie des molécules
soumises à l'action du champ micro-onde ne tournent pas avec le
changement alternatif du champ mais frissonnent comme le montre la (figure
I.1).
CHPITRE I APERÇUE BIBLIOGRAPHIQUE
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CHPITRE I APERÇUE BIBLIOGRAPHIQUE
CHPITRE I APERÇUE BIBLIOGRAPHIQUE
CHPITRE I APERÇUE BIBLIOGRAPHIQUE
Figure I.1. Distribution des dipôles
sous l'effet dans un champ électrique.
a: absence de champ électrique, b: sous champ
électrique continu, c: sous champ électrique
alternatif.
b-Facteur de pertes diélectriques å
?
L'aptitude d'un matériau à s'échauffer
sous l'action d'un rayonnement micro-ondes est qualifiée par le facteur
de pertes diélectriques å ?. Les produits ayant un facteur de
pertes supérieur à 1 s'échauffent facilement par
micro-ondes. Parmi ces composés à pertes diélectriques
élevées, on peut citer l'eau à l'état liquide, les
produits naturels riches en eau, des solvants polaires comme les alcools
(éthanol, méthanol, etc.). Quand le facteur de pertes est
supérieur à 0,1 environ, le chauffage par micro-ondes reste
possible mais il peut nécessiter une mise en oeuvre particulière.
C'est le cas de solvants ou de produits peu polaires, comme l'acétate
d'éthyle ou les corps gras. Les produits à facteur de pertes
encore plus faible ne se prêtent pas au chauffage par micro-ondes. Il
s'agit :
y' des gaz, dans lesquels les molécules ne sont pas
liées ;
y' des métaux, car ils réfléchissent les
micro-ondes ;
y' de matériaux qui ne permettent pas les mouvements des
dipôles comme la glace pure
et parfaitement cristallisée ;
y' de matériaux qui ne se polarisent pas sous l'effet des
micro-ondes comme le Téflon et
la silice ;
y' Des solvants apolaires comme l'hexane.
En pratique, le principal paramètre pour estimer si un
produit naturel peut être chauffé par micro-ondes est sa teneur en
eau. Quand celle-ci est supérieure à 20 % en masse, le produit va
s'échauffer facilement sous l'effet des micro-ondes. Quand cette teneur
est inférieure à 20 %, la mise en oeuvre des micro-ondes est plus
délicate, mais l'eau qui reste présente, en
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association avec les autres constituants (protéines,
lipides, hydrocolloïdes, etc.), peut rendre possible un chauffage par
micro-ondes. Dans le cas d'une extraction, le solvant peut également
être directement chauffé par micro-ondes, si son facteur de pertes
est suffisamment élevé[9].
c-Constante diélectrique et angle de pertes
ä
Le facteur de pertes å? représente le comportement
global du matériau soumis au rayonnement micro-ondes. Il peut être
décomposé en deux phénomènes, la polarisation et la
friction. La permittivité relative å?, ou constante
diélectrique, traduit la faculté du diélectrique à
se polariser, autrement dit à s'orienter dans le sens du champ
électrique. La friction se manifeste par le léger retard pris par
les matériaux polarisés pour s'orienter après
l'application du champ électrique. Ce déphasage est
représenté par l'angle de pertes ä.
Le facteur de pertes diélectriques å? est
égal à la constante dié-lectrique multipliée par la
tangente de l'angle de pertes :
å'' = å' tan ?? (2)
Les deux composantes du facteur de pertes, la constante
diélectrique et la tangente de l'angle de pertes, varient à la
fois avec la fréquence appliquée et avec la température du
matériau. En pratique, on ne peut pas modifier la fréquence
appliquée qui est fixée par la réglementation (2 450 MHz).
Par contre, l'évolution en fonction de la température est une
donnée à connaître. Si å? augmente fortement avec la
température, il faut réduire progressivement la puissance
micro-ondes pour éviter un emballement thermique
[9].
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