Plaque a induction, pourquoi faut-il des ustensiles ferromagnétiques?

[invite945d3fbd]

Bonjour a tous!
Je ne comprends pas pourquoi une plaque a induction chauffe beaucoup mieux un ustensile ferromagnétique qu'un ustensile non ferromagnétique.
En lisant wikipedia:

Dans ce type de plaque, des inducteurs sont placés sous la surface en vitrocéramique. Lorsqu'ils sont parcourus par un courant électrique alternatif (fréquence entre 20 à 50 kHz), ces inducteurs génèrent un champ magnétique qui, à son tour, induit des courants électriques dans le métal du récipient posé sur la plaque. Ces courants produisent de l'énergie thermique (chaleur) par effet Joule.

j'aurais plutot pensé qu'un matériel conducteur avec une grande résistance (type plomb) fonctionnerait beaucoup mieux qu'un matériel comme le cuivre. Cependant on dirait que le chauffement n'a rien a voir avec la résistance du matériel, mais avec sa ferromagnéticité. Je ne comprends pas pourquoi.
J'aimerais bien avoir une explication. Merci d'avance.
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[LPFR]

Bonjour.
On peut chauffer par induction n'importe quel métal.
L'intérêt d'utiliser du fer est qu'il sert de "circuit magnétique" au champ d'induction, lequel sera plus intense. Et la résistivité du fer est assez grande pour que le rendement soit bon.
Et le fer, ça ne coute pas cher.
Au revoir.

[invite945d3fbd]

Bonjour LPFR. Que voulez-vous dire par "circuit magnétique"?
Merci encore.

[LPFR]

Re.
C'est, dans le jargon de ceux qui font des transformateurs ou électroaimants, les endroits par où passent les lignes du champ magnétique. Surtout quand il y a un noyau de fer qui "guide" les lignes de champ.
On peut raisonner un peu de la même façon qu'avec un circuit électrique et des résistances.

Dans le cas des plaques à induction, il y a un noyau de fer en U qui guide le champ jusqu'en dessous de la plaque en vitrocéramique. Puis les lignes de champ sont obligées de traverser la vitre et l'air qui ont une perméabilité magnétique faible (grande "résistance" magnétique). Ça équivaut à un circuit électrique avec une grande résistance. Si vous "fermez" le circuit en l'air avec du fer, la seule partie vraiment "mauvaise conductrice" du champ, sera la plaque.
J'aurais du écrire "réluctance" à la place de "résistance magnétique". C'est le bon terme.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[stefjm]

On peut raisonner un peu de la même façon qu'avec un circuit électrique et des résistances.

Pourquoi un peu seulement?
Ce sont exactement les mêmes relations pour la compositions des résistances



Seul piège : NI est ici une source d'effort, de tension et non de courant comme il pourrait paraître.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Circuit_magn%C3%A9tique

[Tropique]

Cependant on dirait que le chauffement n'a rien a voir avec la résistance du matériel, mais avec sa ferromagnéticité. Je ne comprends pas pourquoi.
J'aimerais bien avoir une explication. Merci d'avance.

Le chauffage a bien à voir avec la résistivité du métal; il faut qu'il y ait un équivalent d'adaptation d'impédance: avec un métal fortement conducteur comme le cuivre, les lignes de champ sont éjectées, comme dans un matériau diamagnétique. Si elle est trop forte, la pénétration est bonne, mais le champ ne cède que peu d'énergie.
Il faut un bon compromis, et les matériaux ferro-magnétique sont meilleurs que l'aluminium par exemple, qui est très conducteur.

D'autre part, en plus des courants de Foucault, les matériaux ferro-magnétiques ont des mécanismes de pertes supplémentaires, par hystérésis et viscosité magnétique, ce qui augmente sensiblement la dissipation

[invite7b54a0c6]

@tropique : quelles sont ces pertes par viscosité magnétique que vous mentionnez ?

[Tropique]

@tropique : quelles sont ces pertes par viscosité magnétique que vous mentionnez ?

C'est un retard de l'induction par rapport à l'aimantation, un peu comme l'hystérésis, mais contrairement à l'hystérésis qui est statique, la viscosité est dynamique: le retard est bien temporel.

[invite945d3fbd]

Re:
En listant l'article de wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Induction_cooking, les pertes par hystérésis magnétiques ne sont responsable "que" de moins de 10% du chauffage.
Ce que je comprends de l'article, c'est que les plaque a induction utilisent une fŕequence de courant alternatif proche de 24 kHz et qu'a cette fréquence les courants produits dans les matériaux ferromagnétiques sont limités a une zone tres pres de la surface du matériel en question et donc, la résistance est "énorme" et permet une perte importante par effet joule.
Tandis que le cuivre et l'alluminium soumis a cette fréquence laissent passer le courant non seulement pres de leur surface mais aussi un peu en profondeur, ce qui réduit la résistance et donc réduit les pertes par effet joule. Apparemment il faudrait utiliser un courant alternatif avec une plus grande fréquence (mégahertz) pour pouvoir concentrer le courant a leur surface et ainsi chauffer un ustensile, mais ca n'est pas possible a réaliser avec des matériaux (semi conducteurs) peu cher.
Dans l'article, ils montrent un tableau et on peut voir que l'acier utilisé dans les ustensiles en cuisine a une résistance d'environ 55 a 87 fois plus grande que celle du cuivre, en tenant compte des parametres fréquence, effet de peau, etc.
Ils disent aussi que l'ustensile doit avoir un fond plat (donc une cuillere posée sur une plaque ne deviendrait surement pas brulante!) car le champ magnétique décroit rapidement en fonction de la distance.
Cordialement.

[Tropique]

Re:
En listant l'article de wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Induction_cooking, les pertes par hystérésis magnétiques ne sont responsable "que" de moins de 10% du chauffage.
Ce que je comprends de l'article, c'est que les plaque a induction utilisent une fŕequence de courant alternatif proche de 24 kHz et qu'a cette fréquence les courants produits dans les matériaux ferromagnétiques sont limités a une zone tres pres de la surface du matériel en question et donc, la résistance est "énorme" et permet une perte importante par effet joule.
Tandis que le cuivre et l'alluminium soumis a cette fréquence laissent passer le courant non seulement pres de leur surface mais aussi un peu en profondeur, ce qui réduit la résistance et donc réduit les pertes par effet joule. Apparemment il faudrait utiliser un courant alternatif avec une plus grande fréquence (mégahertz) pour pouvoir concentrer le courant a leur surface et ainsi chauffer un ustensile, mais ca n'est pas possible a réaliser avec des matériaux (semi conducteurs) peu cher.

Les choses sont nettement plus compliquées et plus subtiles: la pénétration dans un matériau très conducteur est faible, parce que dynamiquement, son comportement est diamagnétique. Donc, premièrement il n'y a pas une frontière abrupte entre une zone de champ ambiant non-affectée et la zone conductrice sous l'épaisseur de peau: l'intensité du champ décroit progressivement, et cela bien avant que l'on soit dans le matériau même.
Pour illustrer cela, disons que si l'épaisseur de peau dans le matériau à la fréquence considérée est de 0.01mm, on pourra faire chauffer sans trop de problème une feuille isolée de 0.01mm, mais il en ira tout autrement si cette feuille est plaquée sur une tôle de 1mm du même métal, même si cette feuille est du "bon" côté.
Deuxièmement, une faible épaisseur de peau et une forte résistance ne sont pas nécessairement un avantage: pour les pertes Joule, ce n'est pas la relation RI² qui est la plus pertinente ici. Une variation de flux génère une tension induite, et dans ce cas P=U²/R. On voit qu'une faible résistance serait plus avantageuse.

Mais comme je l'ai dit précédemment, ce qui importe est en fait une bonne adaptation, qui permette une pénétration suffisante par un champ suffisamment intense, tout en permettant une bonne dissipation par une résistance suffisamment faible, sans toutefois que cela génère un flux opposé excessif.

Pour le chauffage inductif industriel, dans les fonderies, la fréquence est d'autant plus basse que le matériau est conducteur et massif.
Il faut une adéquation entre la fréquence de chauffage et la constante de temps propre de la pièce, donnée par L/R

Ils disent aussi que l'ustensile doit avoir un fond plat (donc une cuillere posée sur une plaque ne deviendrait surement pas brulante!) car le champ magnétique décroit rapidement en fonction de la distance.

Un fond plat est optimum, mais une pièce aussi petite qu'une cuillère serait néanmoins chauffée au rouge en quelques secondes, si le controleur de la plaque la reconnaissait comme une cible "valable" (ce qui ne doit normalement pas arriver)