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Rayonnements micro-ondes: temps de relaxation de Debye

et deux expériences avec un four micro-onde domestique


Frédéric Élie,

(Six-Fours, mars 2012, juin 2016)

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Les interactions d'un rayonnement électromagnétique micro-ondes avec un milieu matériel sont principalement liées à la polarisation d'orientation de ce milieu: les molécules s'orientent constamment avec le champ électromagnétique variable et sinusoïdal parce que leurs moments électriques dipolaires génèrent, à leur tour, un champ en réponse à son effet. Ainsi, les molécules changent d'orientation, tournent, lors de la recherche d'un tel alignement, et ces mouvements produisent de la chaleur dans le milieu matériel: c'est le principe du chauffage par micro-ondes. La réponse des molécules du milieu matériel aux sollicitations du champ électromagnétique extérieur n'est pas instantanée: ce retard est le temps de relaxation. Celui-ci est minimal lorsqu'il est égal au temps de relaxation de Debye, lequel dépend de la fréquence du champ électromagnétique excitateur, ainsi que des propriétés d'amortissement du milieu. On comprend alors qu'à une valeur imposée au temps de Debye correspond une fréquence privilégiée du champ excitateur. Pour les fours à micro-ondes, ce compromis conduit au choix d'une fréquence égale à 2,45 GHz. C'est ce que nous expliquons succinctement dans l'article "Fours micro-ondes, expériences amusantes". Voir aussi l'article "Sur la nocivité des téléphones portables".


Dans le présent article, au chapitre 1, nous montrons de manière théorique comment l'on obtient l'expression du temps de relaxation de Debye à partir de la modélisation des processus d'interactions d'un milieu matériel et d'un champ électromagnétique; ces interactions mettent principalement en jeu la polarisation au sein du matériau. Pour d'autres gammes de fréquences de rayonnement, l'aimantation intervient aussi.


Au chapitre 2, le processus par lequel le four micro-onde chauffe ou cuit les aliments est succinctement présenté.


Au chapitre 3, on propose deux expériences très simples qui utilisent un four micro-onde domestique : a) retrouver la fréquence de fonctionnement du four à l'aide d'une tablette de chocolat ; b) allumer une ampoule électrique dans le four, le filament étant cassé ou bien intact, le tout avec les précautions d'usage.


SOMMAIRE


0. Cuisson par micro-ondes : généralités


1. Rayonnement électromagnétique, son interaction avec un milieu matériel dans le domaine des fréquences micro-ondes


1.1 – Polarisation et aimantation des milieux matériels


      1. - Polarisation

      2. - Aimantation

1.2 – Dispersion et absorption dans un milieu soumis à un champ électromagnétique


      1. équations de Maxwell

      2. - milieu dispersif : théorie de Drude-Lorentz

      3. - milieu conducteur ou isolant selon la théorie de Drude-Lorentz

      4. - différents types de polarisation du milieu en présence d'un champ électromagnétique

        1. Polarisation électronique

        2. Polarisation ionique

        3. Polarisation d'orientation : équations de Debye

        4. Polarisation totale

          1. Pour un milieu isolant

          2. Pour un milieu conducteur


2. Fours micro-ondes


3. Deux expériences avec un four micro-onde domestique


    1. Allumer une ampoule électrique dans le four micro-onde

    2. - Mesurer la fréquence avec une tablette de chocolat

© Frédéric Éliehttp://fred.elie.free.fr, juin 2016