Chauffage par ondes haute-fréquence

Le rayonnement électromagnétique de même nature que la lumière ou les ondes de télécommunication est absorbé par les matériaux isolants ou mauvais conducteurs de l'électricité où il se transforme en chaleur au sein du matériau.
Pour cette application, 2 types de fréquences sont utilisées:
- les radio fréquences (3 à 30 MHz)
- les micro-ondes (300MHz à 30GHz)

Propriétés diélectriques

Les éléments polaires d'un matériau soumis à un champ électrique, tendent à s'orienter dans sa direction; c'est la polarisation. Cette polarisation suit l'évolution du champs électrique. Lorsque celui-ci varie fréquemment (plusieurs millions de fois par seconde dans le cas des radio fréquences) il crée un mouvement permanent et des frictions entre les molécules conduisant à une dissipation d'énergie et un échauffement du matériau. La perte diélectrique quantifie cette dissipation d'énergie.

La molécule d'eau est l'une des plus polaires qui soit, et est souvent beaucoup plus polaire que le reste du matériau environnant. C'est pourquoi l'eau est souvent le principal responsable de l'échauffement d'un matériau soumis à ces hautes fréquences. Le chauffage par hautes fréquences est donc particulièrement efficace pour provoquer le séchage des solides.

L'échauffement du matériau dépend:

• des caractéristiques du rayonnement (fréquence et amplitude du champ électrique)
• des propriétés diélectriques du matériau (permittivité et facteur de perte)

Permittivité diélectrique

Encore nommée constante diélectrique, elle caractérise le comportement d'un matériau soumis à un champs électrique. Elle est souvent exprimée par rapport au comportement du vide (permittivité relative ε_r = 1).
La permittivité du vide (ε₀) est égale à 8,854 × 10⁻¹² F/m
La permittivité absolue d'un matériau sera donc égale à ε₀ × ε_r
Plus la valeur de permittivité est élevée, plus le matériau réagira aux variations de champs électrique.

Quelques exemples:

Matériau	Permittivité relative εr	Facteur de perte tan δ
vide	1
PTFE	2,1	0,0003 (3 GHz)
Elastomère Néoprène	6	0,03
huile minérale	2,2	0,00004 à 100 MHz 0,0007 à 3 GHz
PE	1 - 5	0,0002 - 0,0003
verre	5	0,004 (10 GHz)
eau	78,5	0,005 à 100 MHz 0,16 à 3 GHz
glace	4	0,12 à 1 Mhz 0,0009 à 3 GHz

Facteur de perte

Aussi nommé dissipation diélectrique ou angle de perte ou désigné par le symbole δ (delta) ou tan(δ) (tangente delta), il caractérise la vitesse de réaction du matériau aux variations de champs électrique.
Sa valeur dépend elle-même de la fréquence d'oscillation.

Puissance dissipée

La puissance dissipée dans un diélectrique dépend des propriétés du matériau (permittivité et facteur de perte) mais aussi de:

• l'intensité du champs électrique (E)
• la fréquence d'oscillation du champs électrique (ω)

Elle est exprimée par la relation:

W = ω × E² × ε₀ × ε_r × tan(δ)

Chauffage par  radio fréquences

Les radio fréquences sont générées entre deux électrodes soumises à une tension électrique alternative. Le matériau à chauffer défile entre elles. Le champs électrique est de l'ordre de 60 V/m.

La fréquence la plus courante est de 27 MHz.

Chauffage par micro-ondes

Les micro-ondes sont générées par un magnétron (tube à vide oscillateur) et canalisées vers le produit à traiter par des guides d'onde et des antennes.
Les fréquences les plus courantes en europe sont 915 et 2450MHz; la fréquence de 915 MHz fait l'objet d'une règlementation particulière pour empêcher les interférences avec la téléphonie.

L'absorption du rayonnement suit la loi de Beer et Lambert: l'intensité absorbée est proportionnelle à l'intensité du rayonnement.
L'absorption est donc plus importante en surface (où le rayonnement est plus intense), qu'en profondeur (où il est déja atténué.
Les longueurs de pénétration dans l'eau (pour 63% de l'énergie absorbée) sont:
- 40mm pour le 915MHz
- 14mm pour le 2450MHz

Les métaux, qui réfléchissent les MO, ou les gaz ne peuvent être chauffés.
L'eau ou les produits humides s'échauffent facilement, ainsi que le caoutchouc, le PVC ou de nombreuses résines.
Le polyéthylène, le PTFE, la silice ou le verre froid sont transparents et ne s'échauffent pas.
Certains matériaux deviennent plus absorbant lorsque la température s'élève ce qui peut produire des points chauds et des emballements thermique jusqu'à la destruction (verre, alumine, bois, résines époxy).

Applications industrielles

Chauffage:
- d'acides corrosifs
Séchage:
- granulation de produits sensibles
Polymérisation:
- de colles
- de composites