Lorsqu'un matériau conducteur d'électricité est exposé à un champ magnétique, des courants de Foucault sont induits dans le matériau. Ce phénomène est appelé "chauffage par induction". Les courants de Foucault sont concentrés à la surface du matériau.
La génération de chaleur dans le matériau est due aux courants de Foucault induits. Lorsque le flux magnétique entourant la boucle du conducteur change, un potentiel induit est généré dans la boucle. De même, lorsqu'un conducteur est exposé à un champ magnétique alternatif, il génère également un potentiel induit sous l'action de l'induction électromagnétique, ce qui entraîne la formation d'un courant induit ou d'un courant de Foucault dans le conducteur.
Ces courants induits surmontent la résistance du conducteur lui-même et génèrent une chaleur joule. Cette chaleur est utilisée pour chauffer le conducteur lui-même, ce qui lui permet de se réchauffer, de fondre et d'atteindre divers objectifs de traitement thermique. C'est le principe du chauffage par induction à moyenne fréquence.
Les principes physiques qui régissent le processus de chauffage par induction sont assez simples. Un courant alternatif circule dans un solénoïde ou une bobine, ce qui génère un champ magnétique transitoire. Selon les équations de Maxwell, ce champ magnétique induit des courants électriques (courants de Foucault) dans les matériaux conducteurs voisins. En raison de l'effet Joule, de la chaleur est générée dans le matériau conducteur, atteignant le point de fusion du métal chauffé. En ajustant les paramètres du courant, le métal en fusion peut être maintenu à l'état liquide ou sa solidification peut être contrôlée avec précision.
Les courants de Foucault générés s'opposent à la résistivité du métal, ce qui produit une chaleur localisée précise sans contact direct entre la pièce et l'inducteur. Les pièces magnétiques et non magnétiques peuvent générer cette chaleur, souvent appelée "effet Joule".
Outre l'effet Joule, une chaleur supplémentaire est générée en interne par l'hystérésis. Les pièces magnétiques créent une friction interne lorsqu'elles traversent un inducteur. Les matériaux magnétiques résistent naturellement au changement rapide du champ magnétique à l'intérieur de l'inducteur, créant ainsi une friction interne qui génère de la chaleur.
Le fonctionnement d'un four à induction implique un creuset non conducteur contenant le métal à fondre, entouré d'une bobine de fil de cuivre. Un puissant courant alternatif circule dans le fil, créant un champ magnétique qui s'inverse rapidement et pénètre dans le métal. Ce champ magnétique induit des courants de Foucault à l'intérieur du métal, qui le chauffent par effet Joule. Dans les matériaux ferromagnétiques comme le fer, le matériau peut également être chauffé par hystérésis magnétique, ce qui implique l'inversion des dipôles magnétiques moléculaires dans le métal. Les courants de Foucault provoquent également une agitation vigoureuse de la matière fondue, ce qui assure un bon mélange.
L'un des avantages du chauffage par induction est que la chaleur est générée par la charge du four elle-même, plutôt que par un combustible brûlant ou une autre source de chaleur externe. Ceci est particulièrement important dans les applications où la contamination est un problème.
Lorsque le matériau de charge est en fusion, l'interaction du champ magnétique et des courants électriques circulant dans la bobine d'induction produit une action de brassage dans le métal en fusion. Cette action de brassage force le métal en fusion à s'élever au centre, créant un ménisque caractéristique à la surface. Le degré d'agitation dépend de facteurs tels que la puissance et la fréquence appliquées, la taille et la forme de la bobine, ainsi que la densité et la viscosité du métal en fusion. Le brassage est important pour mélanger les alliages, faire fondre les tournures et obtenir une température homogène dans tout le four. Cependant, un brassage excessif peut entraîner une augmentation de l'absorption de gaz, l'usure du revêtement et l'oxydation des alliages.
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