GENERALITES

II.1.1. Nature des micro-ondes et domaine spectral

Ce sont des ondes constituées d’un champ magnétique et d’un champ électrique se propageant dans un milieu matériel ou dans le vide (Figure 4). De nombreuses sources artificielles émettent de l’énergie sous la forme d’ondes électromagnétiques.

Figure 4. Représentation des champs constitués d’une onde électromagnétique loin de

tout obstacle (onde dite progressive) avec E : champ électrique variable de l’onde électromagnétique suivant l’axe OZ, H : champ magnétique variable de l’onde électromagnétique suivant l’axe OY. L’axe OX représente la direction de propagation de l’onde dans le vide (Rougier, 2003).

Le spectre électromagnétique décrit la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur fréquence (f) : les ondes de faible fréquence, de quelques kilohertz (kHz) à plusieurs gigahertz (GHz), sont appelées ondes radio ou ondes hertziennes, par référence à Heinrich Hertz, physicien allemand qui fut le premier à produire et à détecter de telles ondes. A des fréquences plus élevées se trouvent par ordre de fréquence croissant l’infrarouge, la lumière visible (longueur d’onde entre 400 et 700 nm) et l’ultraviolet. Enfin, aux fréquences les plus élevées, se trouvent le domaine des rayons X (entre 1 et 100 nm), puis celui des rayons gamma (longueur d’onde inférieure à 1 nm) (Figure 5).

La fréquence (f) correspond donc au nombre d’oscillations en un point de l’espace par unité de temps. Elle se mesure en cycles par seconde ou Hertz (Hz) (1 cycle par seconde = 1 Hz). Pour une onde progressive, la longueur d’onde est la distance

minimum qui sépare deux points de l’espace où les oscillations sont en phase. Elle se mesure en mètres (m). La fréquence est liée à la longueur d’onde par la relation :

λ = f

v (11)

avec :

λ : longueur d’onde en m,

v : vitesse de propagation de phase dans le milieu en m.s-1 et

f : fréquence en Hz.

Plus la fréquence est élevée plus la longueur d’onde est courte.

A toute onde électromagnétique est associée une particule de masse pratiquement nulle appelée photon dont l’énergie est liée à la longueur d’onde par la relation :

E = h.f =

λ

c

h. (12)

où h est la constante de Planck (6,62.10-34 joules seconde (J.s)) et c la vitesse de la lumière dans le vide.

Selon leur fréquence et leur énergie, les ondes électromagnétiques peuvent être classées parmi les « rayonnements ionisants » (rayons X et gamma) ou les « rayonnements non ionisants » (ultraviolets, visible, infrarouges, radiofréquences et micro-ondes, basses fréquences) (Figure 5). La limite entre les rayonnements ionisants et non ionisants (dans le vide) est λ = 10 nm : lorsque λ est inférieure à 10 nm, les rayonnements sont dits ionisants(Delmotte et al., 1998).

Figure 5. Le spectre électromagnétique et exemples d’ordre de grandeur et d’utilisations

II.1.2. Mécanismes d’action des micro-ondes

Les micro-ondes se situent dans la bande de fréquences comprises entre 3 kHz et 300 GHz. Leur longueur d'onde varie entre 1 mm et 30 cm. La technologie micro- ondes a vu le jour avec la conception du radar vers 1930, puis s’est largement développé dans de nombreux domaines, dont celui de la décontamination.

Quand un matériau est soumis à une onde électromagnétique on observe une interaction entre le champ électrique de celle-ci et les constituants du milieu se traduisant par une absorption d’énergie. Ce phénomène d’absorption dépend du champ électrique et de la fréquence de l’onde, de la nature du milieu ainsi que des propriétés électriques et diélectriques de celui-ci (Knuston et al., 1987). Ainsi, lorsque la fréquence de l’onde est basse (fréquences du courant électrique), l’énergie absorbée par le milieu se dégrade en énergie thermique par effet Joule. Cette déperdition est notamment fonction de la conductance σ du milieu et de sa charge (électrons libres – métaux, ions – solutions ioniques). Au contraire, si la fréquence de l’onde est élevée (dans la gamme des fréquences micro-ondes) et que le milieu contient des molécules polaires, l’énergie absorbée est dégradée en chaleur par relaxation diélectrique (Coffey et al., 1988). Cette déperdition de chaleur dépend des propriétés diélectriques (ε’ et ε’’) du milieu. Ces propriétés sont présentées plus loin. Le mécanisme mis en jeu peut s’expliquer comme suit ; lorsqu’une molécule polaire est soumise à un champ micro-ondes, celle-ci cherche à s’aligner sur le champ électrique de l’onde. Ce champ étant alternatif (2450 MHz), la molécule cherchera à tourner à la même fréquence afin de rester aligné sur le champ. On parle de couplage entre la molécule et le champ (Kozempel et al, 1998). Si la molécule se trouve dans un milieu condensé (liquide, solide) elle sera en interaction avec ses voisines et ne pourra donc pas tourner sans entraves. Le frottement engendré par la rotation de toutes ces molécules cherchant à s’aligner sur le champ électrique va générer de la chaleur. Ce phénomène est aussi appelé perte par relaxation diélectrique. Dans les produits alimentaires c’est majoritairement la molécule d’eau qui est concernée par ce phénomène, mais de nombreuses molécules polaires absorbent également les micro- ondes (alcool, sucres, acides aminés, ..). Il doit être souligné en outre, que dans le cas d’aliments riches en ions, à la perte par relaxation diélectrique s’ajoute une perte par effet joule due à l’oscillation des charges (Decareau, 1985).

D’après ce qui précède, on peut conclure que l’impact de l’onde sur un milieu est essentiellement d’ordre thermique. Toutefois, certains auteurs évoquent le fait qu’il

puisse également exister des effets athermiques, liés à la nature électromagnétique de l’onde (Kozempel et al, 1998). Ce point sera discuté dans le chapitre suivant.

II.1.3. Caractéristiques diélectriques d’un matériau

Les interactions entre les ondes et la matière dépendent des caractéristiques électromagnétiques du milieu à la fréquence de l’onde utilisée, comme la permittivité et la conductivité électrique.

Les milieux sont caractérisés par une permittivité relative εr qui traduit à l’échelle

macroscopique les phénomènes qui se passent au niveau microscopique tels que les différents types de polarisation électrique (Levêque, 1994). La permittivité d’un matériau est un nombre complexe :

εr = ε’ – j ε’’ (13)

avec la partie réelle, ε’ (constante diélectrique), qui traduit la capacité d’un matériau à être polarisé par un champ électrique externe et la partie imaginaire, ε’’ (coefficient d’absorption), qui traduit les pertes électriques, c’est-à-dire l’énergie absorbée dissipée en chaleur.

La partie imaginaire peut être exprimée par une conductivité électrique équivalente selon la relation :

ω ε σ ε . 0 = ′′ e + ε’’ (14) avec σ, la conductivité en S.m-1, ε0, la permittivité absolue du vide soit 8,854.10-12 F.m-1 et ω, la pulsation en rad.s-1 (Nelson, 1973).

La permittivité dépend de nombreux paramètres tels que la fréquence ou la température.

Remarque : C’est la permittivité relative du matériau qui est prise en compte lors des interactions avec les hautes fréquences (>1 MHz). Aux basses fréquences, c’est la conductivité (σ) qui définit l’aptitude du matériau à propager un courant de charge.