Utilisateur:INSA-1A-gr2/Brouillon induction

Le phénomène de l'induction a été découvert au cours du XIXème siècle. Il a beaucoup été utilisé dans l'industrie pour le chauffage par induction avant d'arriver il y a quelques années dans nos foyers à travers les plaques de cuisson à induction. Présentant de nombreux avantages, elles sont de plus en plus en utilisées dans nos cuisines, permettant une cuisson par induction optimale des aliments.

Historique

• La découverte du phénomène de l'induction se fait au cours du XIXème siècle. Le premier scientifique ayant travaillé sur ce sujet est Hans Christian Ørsted, qui a étudié les propriétés magnétiques d’un fil parcouru par un courant. Ses expériences ont entrainé la recherche des phénomènes d’induction électromagnétique pendant une dizaine d’années. Les premières tentatives du physicien anglais Michael Faraday ont été infructueuses mais il a finalement découvert le phénomène d’induction le 19 août 1831. Le premier dispositif qui lui permet d’observer ce phénomène ressemblait aux transformateurs actuels. Ensuite, Faraday recommença ses expériences avec d’autres dispositifs et en déduit que les variations du flux du champ magnétique créent des courants électriques.

• Les premiers systèmes à exploiter le principe de l'induction électromagnétique à l'échelle industrielle sont les alternateurs. Ils sont développés aux USA et en Europe à partir de 1885. L'inventeur de renommée mondiale Nikola Tesla est à l'origine des premiers alternateurs. Ces derniers permettent la production massive de courant alternatif grâce à des bobinages électriques placés dans les champs magnétiques tournants. Il a donc fallu plus de 50 ans pour que cette découverte scientifique (l'induction) soit mise en pratique. Cependant, il faut attendre le milieu du XXème siècle pour que l'industrie commence vraiment à utiliser l'induction comme moyen de chauffage. En métallurgie notamment, on retrouve des fours à induction qui permettent la fusion sous vide afin d'obtenir des métaux de très grande qualité mécanique. Depuis les années 1950, les applications de l'induction se multiplient.

• Ce n'est que dans les années 1990 que les premières plaques à induction prennent place dans les cuisines des particuliers. La première plaque de cuisson commercialisée est nommée « IX1 ». Le principe est innovant car contrairement aux autres moyens de chauffage, ce n'est pas la table de cuisson qui chauffe mais la casserole elle-même. De plus, cette méthode présente un rendement très largement supérieur aux autres moyens de chauffage existants sur le marché.

Les lois de l'induction

Rappels de base sur l'induction électromagnétique

• L'expérience de Faraday permet de faire un lien entre un champ magnétique et une tension induite.

Prenons un fil de cuivre, conducteur, formant une boucle.

Plaçons un aimant permanent qui génère un champ magnétique ${\vec {B}}$ constant à proximité de la boucle. On constate, si on déplace l’aimant, lors de la durée du déplacement, qu’un courant induit $I_{\rm {ind}}$ apparaît dans la boucle conductrice, ceci en l’absence de générateur.

- Si on ne déplace pas le fil dans son ensemble, donc si on le déforme, il apparaît toujours un courant induit.

- Lorsque la boucle conductrice ne bouge pas et que le champ magnétique est variable dans le temps, il apparaît un courant induit.

- L’intensité du courant induit augmente avec la vitesse de déplacement du circuit.

En résumé, Faraday a conclu que la variation du flux du champ magnétique $\phi$ cause l’apparition d’une tension induite, qui correspond à une force électromotrice $\varepsilon$.

• De l'expérience de Faraday est déduite l'expression de la loi de Faraday:

$\varepsilon ={\frac {-d\Phi }{dt}}$ avec $\varepsilon$ en Volts, $\Phi$ en Weber et dt en seconde

• La Loi de Lenz s'énonce ainsi :

Les courants électriques créés par le phénomène d’induction électromagnétique sont tels qu’ils s’opposent toujours, par leurs effets électromagnétiques, à la cause qui leur a donné naissance (la cause est la variation de flux magnétique).

L’induction électromagnétique ou magnétique

• Elle a pour origine la Force de Lorentz qui s’applique aux particules chargées, tel que

${\vec {F}}=q{\vec {E}}+q{\vec {v}}\land {\vec {B}}$

Si on applique la Force de Lorentz sur les électrons libres d’un fil conducteur, il apparaît une différence de potentiel à ses bornes, c’est-à-dire un courant électrique au sein de celui-ci. Or, lorsqu’un courant circule dans un conducteur, il génère un champ magnétique dans l’espace ambiant.

Or d’après la loi de Faraday, qui énonce que la variation du flux du champ magnétique $\Phi$ engendre une tension induite dans le fil conducteur, on a :

$\varepsilon ={\frac {-d\Phi }{dt}}$

Cela signifie que tout conducteur soumis à un flux magnétique variable voit apparaître une force électromotrice en son sein.

La variation du flux magnétique qui traverse un conducteur génère les Courants de Foucault:

- Ces courants provoquent un échauffement par effet Joule du conducteur.

- Ils créent un champ magnétique qui s'oppose à la cause de la variation du champ extérieur (Loi de Lenz).

• L'Effet de peau est aussi un phénomène important pour l'induction.

En courant continu, le courant circule de manière homogène dans le conducteur.

L’effet de Peau est un phénomène électromagnétique qui apparaît à Haute Fréquence, lorsqu’un courant alternatif traverse le conducteur :

- si on se déplace de la périphérie du conducteur vers le centre de celui-ci, on observe que la densité de courant décroît de manière exponentielle

- le courant circule donc principalement dans la périphérie du conducteur, il y a donc une diminution de la section utile (section du fil traversée par les porteurs de charge)

- l’effet de Peau engendre une diminution de la section utile, donc également une réduction de la densité de courant au centre du conducteur, donc la résistance augmente.

Grâce aux lois de l'électromagnétisme et à l'effet de Peau, nous allons être en mesure de comprendre le fonctionnement des plaques à induction.

Le principe des plaques de cuisson par induction

Principe du chauffage par induction

Schéma du fonctionnement d'une plaque à induction

• Une plaque à induction est constituée de différents éléments, qui vont chacun avoir un rôle afin d'obtenir les caractéristiques propres à l'induction électromagnétique:

- un convertisseur électrotechnique statique qui va transformer le courant secteur basse fréquence (50 Hz) en un courant à haute fréquence (5000 Hz). Cela permettra ainsi d'obtenir l'effet de Peau désiré.

- une plaque vitrocéramique, résistante au chocs thermiques, et surtout ne conduisant ni la chaleur, ni le courant. Elle assure ainsi un rendement optimal à la plaque de cuisson.

- un inducteur, le plus souvent une simple bobine, qui va permettre de créer le champ magnétique nécessaire au chauffage par induction.

• La plaque à induction reçoit du 220V/50Hz par la prise secteur, ce qui alimente le convertisseur, qui fait passer la fréquence de 50Hz à 50000Hz. Ainsi, la fréquence augmentant, et le courant étant alternatif, celui-ci va avoir tendance à circuler à la surface du fond de la casserole uniquement, traduisant l'effet de Peau. La résistance de la casserole, qui était alors faible, augmente au fur et à mesure que la fréquence est grande. Le courant passe ensuite dans l’inducteur, qui crée alors un champ magnétique, et ce champ induit des courants (courants de Foucault) dans le fond de la casserole.

Un courant va ainsi circuler dans le fond de la casserole, d’où l’importance du matériau de celle-ci et de la plaque vitrocéramique. En effet, celle-ci n’étant pas métallique, elle ne conduit ni le courant, ni la chaleur.

D’après le principe de l’effet Joule, les électrons se déplaçant grâce à ce courant dans le métal du fond de la casserole, ont du mal à circuler et percutent les atomes de métal. La résistance, plus grande du fait de l’effet de Peau, entraîne un échauffement du fond de la casserole.

Principe de cuisson des aliments

• Dans la cuisson des aliments, deux principes interviennent :

- Pour les aliments liquides, leur chauffage/cuisson se fait par Convection;

- Pour les aliments solides, leur chauffage/cuisson se fait par Conduction thermique.

• En effet, lorsqu'un fluide chauffe, il va se créer au sein de celui-ci des différences de densité. Ces différences de densité vont créer des mouvements de convection au sein du fluide, le liquide chaud ayant tendance à remonter à la surface, et le liquide froid à descendre vers le fond de la casserole. Ainsi, au bout d'un certain temps, la totalité du liquide sera à température voulue.

• Pour les aliments solides, un autre phénomène intervient : la conduction. Le fond de la casserole étant chaud, il va y avoir un transfert de proche en proche de la chaleur entre la casserole et l'aliment. Celui-ci se fait sans transfert de matière. Ainsi, par le même phénomène, l'aliment va chauffer/cuire dans sa totalité.

Entretien et ustensiles

Entretien

• Afin de ne pas abîmer la plaque vitrocéramique, et de ne pas endommager le système d'induction, il est nécessaire de bien entretenir la plaque à induction et de respecter quelques règles d'utilisation:

- Enlever les projections avec une éponge humide lorsque la plaque est encore tiède. Pour les débordements de graisses, utiliser un produit adapté et une raclette non métallique pour les taches les plus tenaces. Rincer régulièrement les plaques pour éviter que les détergents et les projections ne s’incrustent lors de la cuisson.

- Rincer immédiatement les projections à base de sucre car en refroidissant, elles se caramélisent et attaquent la vitrocéramique.

- Ne pas utiliser de produits abrasifs ou corrosifs (éponge abrasive et poudre), employer de la crème et des éponges sanitaires.

- Ne pas utiliser la plaque de vitrocéramique comme plan de travail car elle se raye facilement et ne pas déposer d’aluminium dessus.

- Ne pas trainer les récipients, mais les poser.

Ustensiles adaptés

• La cuisson par induction nécessite l’emploi d’ustensiles compatibles. Ceux-ci doivent être constitués de matériaux conducteurs pour que le champ magnétique puisse induire des courants. Une casserole est adaptée si un aimant peut se coller dessus. De plus, elle chauffera d’autant mieux que sa résistance est importante car l’effet Joule sera grand également.

• Un récipient adapté doit donc être massif et magnétisable, mais il doit aussi permettre d’accumuler la chaleur et de la répartir. Les récipients en terre, verre, céramique, cuivre et aluminium ne sont pas adaptés. Si le fond d’une casserole n’est pas parfaitement plat, si elle est bosselée ou rugueuse, elle ne doit pas être utilisée car elle peut abimer la plaque vitrocéramique. Il faut également préférer des récipients à fond très épais, afin d’augmenter l’effet de Peau et d’obtenir ainsi un meilleur rendement.

• Le champ magnétique produit par induction peut provoquer des bruits de cliquetis, ceci est normal et il n’y a pas de risque.

• D'après une étude du Service technique et d'information sur les rayonnements non ionisants de la Confédération helvétique, l'utilisation de casseroles non adaptées, déformées, en mauvais état ou mal centrées sur la zone de cuisson provoquerait un rayonnement de champ magnétique au moins multiplié par quatre. Ce rayonnement dépasserait, sur une très courte distance, la limite fixée selon les recommandations pour l'exposition des êtres vivants.

Avantages et inconvénients de chaque récipient compatible

	Avantages	Inconvénients
Les récipients en acier émaillé avec ou sans revêtements anti-adhérents :	- compatible avec ce type de cuisson, bonne restitution de la puissance - peu de bruits durant l’utilisation - utilisable pour tous les types de cuisson	- inégale répartition de la chaleur si le diamètre du récipient est trop petit - nettoyage difficile ( collage au fond) - si la casserole est vide, déformation du récipient avec des casses de l’émail à cause de l’échauffement
Les récipients en fonte avec ou sans fond émaillé:	- compatible avec ce type de cuisson, bonne restitution de la puissance - bonne répartition de la chaleur - peu de bruits durant l’utilisation - nettoyage facile - idéal pour la cuisson mijotage	- fonds rugueux qui rayent la vitrocéramique - si la casserole est vide, le récipient risque de se casser sous l'effet de la chaleur
Certains récipients en inox (multicouches ou ferritiques):	- bonne répartition de la chaleur si le fond est rapporté - si la casserole est vide, l'inox bleuit simplement et le récipient se comporte bien - nettoyage facile - adapté à tout types de cuisson si le fond est rapporté	- inégale répartition de la chaleur si la casserole n’a pas de fond rapporté - compatibilité non garantie : si l'épaisseur de la casserole en inox ferritique c'est pas suffisante, le rendement est beaucoup moins bon, voire inexistant - nombreux bruits de cliquetis lors de la cuisson
Récipients en aluminium à fond spécial:	- inox très utilisé dans les ustensiles de cuisine	- moins bon rendement lors de l'utilisation d'ustensiles en inox ferritique
Disques de cuisson:	- bonne fonctionnalité et compatibilité	- rendement non optimal

Zone utile de la plaque

Fichier:Effet courone.png

Schéma de l'effet de Couronne sur une casserole

• Les plaques à induction possèdent le plus souvent plusieurs plaques de diamètres différents pour s’adapter avec toutes les tailles des ustensiles. Il faut tenir compte du diamètre du fond, c’est-à-dire du diamètre de contact entre l’ustensile et la plaque vitrocéramique. En effet, le diamètre du fond du récipient doit être inférieur ou égal à la zone de chauffe de la plaque.

• Si cette condition sur la taille n’est pas respectée et si le récipient est de mauvaise qualité, la cuisson est moins performante en puissances élevées car la répartition de la chaleur est moins homogène à cause de l’Effet corona. Celui-ci se produit à mi-distance du centre de la casserole, et va diviser la casserole en une couronne centrale et secondaire.

• Ce phénomène ne se produit quasiment pas si l’inducteur est constitué de deux enroulements séparés par du vide. Cependant, si le récipient ne couvre pas la totalité de la zone, cela ne déclenchera la couronne secondaire de l’inducteur que partiellement donc la couronne extérieure aura une puissance inférieure à celle de la couronne centrale.

Avantages et inconvénients de la cuisson par induction

Les tableaux ci-dessous nous présentent les avantages et les inconvénients de la cuisson par induction.

Avantages

AVANTAGES DE LA CUISSON PAR INDUCTION

Différents éléments	Avantages
Fonctionnement marche/arrêt automatique lors de la pose du récipient	Plus économique car pas de gaspillage d’énergie 90 à 95 % de la chaleur apportée est restituée lors de la cuisson
Système électrique de cuisson -» environnement écologique	Plus écologique car pas de dégagement gazeux
Système électrique de cuisson -» plaque en vitrocéramique	Plus sûr car la vitre en céramique reste froide donc pas de risque de brûlure
Système électrique de cuisson -» ustensile en ferromagnétique	Plus rapide car l’ustensile ferromagnétique est uniformément chaud et la puissance applicable est élevée (5600 Watts) 4,46 min pour porter à ébullition 2L d’eau
Régulateur de chaleur par apport électrique	Plus précis : réglages possibles à 0,5 degrés Celsius près
Système électrique de cuisson -» environnement	Plus confortable car la cuisson dégage moins de chaleur dans la cuisine. Seul l’ustensile chauffe
Plaque en vitrocéramique	Entretien facile car la plaque est plane et facile à nettoyer

Inconvénients

INCONVENIENTS DE LA CUISSON PAR INDUCTION

Différents éléments	Inconvénients
Batteries de cuisine spécifiques	Les batteries de cuisines ne fonctionnant pas avec l’induction ne sont pas adaptables. Leur prix d’achat est à partir de 700 euros.
Ustensiles ferromagnétiques	Ils sont obligatoires. Une plaque à induction sans les ustensiles adaptés ne fonctionne pas
Ustensiles à fonds plats, de bonne qualité et assez grands	Sans ces conditions : risques de soudure, mauvaise chauffe (effet couronne)
Système utilisant l’électromagnétisme	Une pollution électromagnétique est mauvaise pour notre santé et peut causer des disfonctionnements dans les appareils environnants
Plaque en vitrocéramique	Fragile et facilement rayable sachant que son coût est important

Comparaison avec la cuisson utilisant des plaques électriques ou du gaz

La comparaison de la cuisson par induction avec les autres modes de cuisson est faite à travers des tableaux reprenant les mêmes critères que la partie sur les Avantages et Inconvénients de la cuisson par induction.

Cuisson au gaz

AVANTAGES DE LA CUISSON AU GAZ

Différents éléments	Avantages
Batteries de cuisine non spécifiques	Toutes les batteries de cuisine sont utilisables. Prix : à partir de 150 euros
Ustensiles non spécifiques	Tous les types d'ustensiles peuvent être utilisés. La forme de l’ustensile n’a pas d’importance
Plaque à gaz	Plutôt solide et peu cher

INCONVENIENTS DE LA CUISSON AU GAZ

Différents éléments	Inconvénients
Pas de fonctionnement marche/arrêt automatique lors de la pose du récipient	Gaspillage d’énergie : seulement 50-55% de la chaleur est restituée lors de la cuisson
Système de cuisson avec combustion du gaz	La combustion du gaz enflammé forme du dioxyde de carbone très dangereux pour notre santé. Le gaz est un danger constant (explosion et intoxication)
Système de cuisson avec combustion	Risque de brûlures avec la flamme
Chauffage de l’ustensile grâce aux flammes émises	Cette technique chauffe localement donc le temps de cuisson n’est pas optimal. 8,18 min pour porter à ébullition 2L d’eau
Pas de régulateur de chaleur	L’utilisateur doit régler manuellement l’intensité de la flamme
La combustion chauffe l’environnement de la cuisine	La température de la pièce augmente avec la cuisson à gaz
Plaque a gaz	Entretien difficile car la plaque est non plane et difficile à nettoyer

Cuisson avec plaques électriques

AVANTAGES DE LA CUISSON AVEC PLAQUES ELECTRIQUES

Différents éléments	Avantages
Système de chauffage de la plaque -» environnement	Plus écologique car pas de dégagement gazeux
Régulateur de chaleur par apport électrique	Définition d'une température à atteindre possible mais très approximative
Plaque en fonte	Très solide et peu chère

INCONVENIENTS DE LA CUISSON AVEC PLAQUES ELECTRIQUES

Différents éléments	Inconvénients
Pas de fonctionnement marche/arrêt automatique lors de la pose du récipient	Gaspillage d’énergie : seulement 60% de la chaleur est restituée lors de la cuisson
Système de chauffe des plaques	Risques de brûlures avec la plaque
Chauffage de l’ustensile grâce au contact avec la plaque	Cette technique chauffe localement donc le temps de cuisson n’est pas optimal. Il faut 9,50 min pour porter à ébullition 2L d’eau
La combustion chauffe l’environnement de la cuisine	La température de la pièce augmente avec la cuisson à gaz
Plaque en fonte	Entretien difficile car la plaque est non plane et difficile à nettoyer

Sources

• Daniel CORDIER, Cours de Physique- Électromagnétisme : Phénomènes d'induction et ondes électromagnétiques, vol. 2, Dunod, 2007, 316 p.
• José-Philippe PEREZ, Robert CARLES et Robert FLECKINGER, Électromagnétisme : Fondements et applications, Dunod, 2001, 740 p.
• FAGOR-BRANDT, « La table de cuisson à induction », 2008 (consulté le 28 mars 2012)
• Pascal TOBALY, « Les échangeurs de chaleur », 2002 (consulté le 4 avril 2012)
• Pierre ZWEIACKER, Vivre dans les champs électromagnétiques, Focus Science, 2009, 137 p.
• Energie+, « Le matériel de cuisson », 2012 (consulté le 15 avril 2012)
• Thierry BRENER, « L’induction en cuisines professionnelles : :un procédé de cuisson innovant », 2005 (consulté le 15 avril 2012)