Four à micro-ondes

Un four à micro-ondes est un appareil électroménager, donnant la possibilité la cuisson rapide d'aliments conçus pour la consommation humaine ou animale. Il est de plus particulièrement pratique pour réchauffer des aliments déjà préparés solides ou liquides. Le chauffage s'effectue par agitation des molécules d'eau que contiennent les aliments.

Cette agitation résulte de l'oscillation de la molécule d'eau dont le dipôle ou vecteur de polarisation électrique s'oriente passivement dans le champ électrique alternant du rayonnement micro-onde.

Histoire

C'est Percy Spencer qui proposa d'utiliser les micro-ondes pour cuire les aliments, tandis qu'il travaillait pour Raytheon à la construction de magnétrons pour les radars. Tandis qu'il était à proximité d'un radar en activité, il a ressenti de la chaleur dans sa poche de blouse. En plongeant la main dans cette poche, il constata qu'une barre de chocolat y avait fondu^[1].

Le premier aliment à avoir été délibérément chauffé par des micro-ondes est du pop-corn, le second fut un œuf (lequel a explosé au visage des expérimentateurs).

En 1950, la société Raytheon breveta le procédé de cuisson par micro-ondes puis en 1953 construisit le premier four à micro-ondes qu'elle commercialisa, le Radarange. Il mesurait 1, 80 mètre de haut pour un poids de 340 kilogrammes. Il était refroidi par un dispositif à base d'eau, avait une puissance de 3 kW.

Fonctionnement général

L'énergie électrique, sous la forme d'une tension alternative (haute et basse tension) est transformée en tension continue par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur, de diode et de condensateur.

Le courant arrivant du transformateur élévateur permet de alimenter le magnétron.

Magnétron

Le magnétron est constitué d'une anode cylindrique, composée de cavités, celles-ci se trouvent dans l'axe d'une cathode chauffante. Plus il y a de cavités plus le rendement est élevé.

L'anode et la cathode sont scindées par un espace qu'on nomme l'espace d'interaction qui se trouve sous vide. Ces cavités dites «cavités résonnantes» peuvent avoir des formes différentes selon le magnétron reconnu. On trouve aussi deux aimants qui sont fixés perpendiculairement comparé à l'axe du tube.

Un champ électrique continu est appliqué entre l'anode et la cathode. Ce champ a une valeur de l'ordre de plusieurs kilovolts pour un espace d'interaction de quelques millimètres. Les électrons libérés par la cathode sont accélérés par le champ électrique continu. En l'absence des aimants, les électrons iraient directement sur l'anode, la combinaison des deux champs crée un nuage d'électrons tournant entre l'anode et la cathode. Ces charges entrent en interaction avec les cavités résonnantes du bloc anodique qui deviennent le support d'oscillations électromagnétiques. Les dimensions de ces cavités sont calculées pour que les ondes aient une fréquence de 2 450 MHz. Une partie de ces ondes sont acheminées vers le guide d'onde grâce à divers moyens de couplage.

Le guide d'onde transmet celles-ci dans la cavité du four et elles vont permettre de cuire l'aliment.

Alimentation électrique

Un magnétron de 1 000 W (puissance apportée) demande à peu près 2 500 V à 0, 6 A en alimentation électrique. Le schéma courant est un montage de type «anode à la masse», simplifiant l'isolation. L'alimentation est particulièrement simple, avec un transformateur d'alimentation unique pour le filament et la THT et un redressement mono-alternance avec une diode et un condensateur de filtrage. Les parties sous haute tension présentent un danger mortel et le dépannage d'un micro-onde sous tension avec le capot ouvert est extrêmement dangereux.

Commande de puissance

Le magnétron ne comporte pas d'électrode de commande et ne fonctionne qu'en tout ou rien. Pour faire fluctuer la puissance de cuisson, le magnétron fonctionne par intermittence, l'alimentation est commandée en tout-ou-rien à un rythme assez bas et avec un rapport cyclique de ∼0 à 100% selon la puissance demandée par l'utilisateur. C'est ce qu'on nomme la modulation par largeur d'impulsion.

A titre d'exemple, pour un four de 800 W, si le bouton de commande est positionné sur 400 W le magnétron sera alimenté pendant 7, 5 secondes, coupé pendant les 7, 5 secondes suivantes, tandis que si on place le bouton sur la puissance maximum, le magnétron est alimenté en permanence. Sur les appareils à minuterie mécanique, c'est un simple dispositif de came avec un contact, lié à la minuterie qui sert à faire fluctuer la puissance, et ce de façon linéaire. Sur les appareils modernes, c'est une logique avec un microcontrôleur qui commande un relais de modulation. Cette logique peut comporter aussi des fonctions d'horloge et de démarrage décalé, des touches préréglées pour la décongélation, etc.

Cuisson de l'aliment

Action des micro-ondes sur la molécule d'eau

La molécule d'eau est constituée d'un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène (formule chimique : H₂O). Elle est dipolaire, c'est-à-dire que le barycentre des charges négatives et celui des charges positives ne sont pas confondus, cela est dû au fait que l'atome d'oxygène est plus électronégatif que celui d'hydrogène, ainsi qu'à la géométrie coudée de la molécule.

Les molécules d'eau d'un aliment à l'état normal sont dans le désordre : elles ne respectent aucun ordre d'orientation spécifique. Mais quand elles sont soumises à un champ électrique continu les pôles négatifs des molécules d'eau ont tendance à s'orienter en direction de ce dernier.

Lorsqu'elle s sont soumises aux micro-ondes, les molécules d'eau de l'aliment s'orientent en direction du champ électrique qui compose ces ondes. Ce champ étant alternatif les pôles s'orientent successivement dans un sens puis dans l'autre, ce qui résulte de plusieurs changements d'orientation (environ 2 450 000 000 fois par seconde) au même rythme que l'onde qui oscille à cette fréquence.

Si le four émettait en fréquence plus basse, il ferait tout autant osciller les molécules d'eau mais il n'y aurait pas d'absorption de l'énergie des ondes dans l'aliment et par conséquent de dégagement de chaleur. En effet, ce n'est qu'au-delà de la fréquence de 1 GHz à peu près que l'oscillation de l'eau a du mal à suivre l'oscillation du champ électrique des micro-ondes. Il s'ensuit que pour des fréquences identiques ou supérieures à celle-ci, un déphasage apparaît entre les orientations respectives de ce champ et de la molécule d'eau. La conséquence est ce qu'on nomme une perte diélectrique, génératrice de chaleur, et due à un phénomène qu'on nomme "relaxation" des molécules d'eau. Il ne s'agit par conséquent pas d'un quelconque phénomène de résonance.

Le choix de la fréquence du micro-ondes ressort d'un juste compromis entre réchauffement de l'aliment et pénétration dans ce dernier. En effet, si on avait choisi une fréquence plus faible, l'onde traverserait l'aliment sans le réchauffer, puisque les molécules oscilleraient librement, donnant la possibilité une conservation du champ électrique dans la matière, et par conséquent sans causer de perte diélectrique. Par contre, si on avait choisi une fréquence plus élevée, l'onde serait complètement absorbée en surface de l'aliment, à cause de l'impossibilité de l'eau d'osciller en phase, et par conséquent la localisation de la totalité des pertes diélectriques en surface.

Suite au dégagement de chaleur, l'élévation de température se transmet aux différentes couches de l'aliment par conduction et réchauffe ainsi une partie de l'aliment. La quantité d'eau n'étant pas répartie de la même façon dans l'aliment, certaines parties de l'aliment sont plus ou moins chaudes que d'autres.

De plus quand il y a dégagement de chaleur les molécules d'eau ont tendance à passer de l'état liquide à l'état gazeux, le volume de vapeur ainsi produit ne peut pas nécessairement être contenu dans l'aliment c'est pour cela que certains aliments explosent.

À la fréquence du four micro-ondes, la molécule d'eau est presque l'unique à vibrer, à cause de sa petite taille. Mais elle est suffisante pour réchauffer l'aliment grâce à son abondance relative, quel que soit l'aliment.

Pénétration des ondes au sein de l'aliment

La pénétration des ondes à l'intérieur d'un aliment change selon ce dernier, surtout de sa concentration et sa composition.

Quand un aliment est soumis à un rayonnement de micro-ondes, il n'en absorbe qu'une partie. La partie absorbée est transformée en énergie calorifique et c'est grâce à elle que l'aliment chauffe. La partie non absorbée est nommée l'onde réfléchie.

Pour éviter que certaines parties de l'aliment ne soient brûlées ou que d'autres restent froides, il faut que les ondes atteignent l'ensemble des lieux de l'aliment. Pour ce faire, l'aliment est déposé sur un plateau tournant. Ainsi, quand les parois de la cavité du four font réfléchir les ondes, celles-ci atteignent différents lieux de l'aliment mis sur ce plateau tournant, ce qui assure une distribution assez plus homogène des ondes dans l'aliment.

Objets métalliques dans un four à micro-ondes

On déconseille de mettre des objets métalliques dans un four à micro-ondes en raison du champ électrique produit. Aux coins anguleux et pointus du métal qui est un conducteur électrique, des gradients du champ sont créés, ce qui donne lieu à des arcs électriques. Il existe cependant des objets métalliques spéciaux avec des coins arrondis, qui ne provoquent pas de décharges électriques. Les emballages de faible hauteur en acier ou en aluminium, avec une large ouverture, permettent un réchauffage efficace et sans production d'arcs dans les fours actuels.

Le rayonnement et l'Homme

Le rayonnement micro-onde n'est pas ionisant. Il est par conséquent nettement moins dangereux que les rayons X ou gamma. Il y a cependant des normes concernant le niveau de fuite des fours et il ne faut pas utiliser un four à micro-ondes dont la porte serait endommagée.

Le niveau de fuite maximal toléré par les normes est de 5 mW/cm² mesuré à 5 cm.

Une étude suisse^[2] donne quelques éléments : four usagé 0, 41 mW/cm² soit 10 fois moins qu'un mobile GSM, pour les fours neufs et la majorité des fours usagés le rayonnement est inférieur à celui d'une connexion Wifi. Cela n'est pas une garantie mais une moyenne. Un four peut être en dehors de ces valeurs.

Si le four n'est pas endommagé, compte tenu de les distances et durées d'utilisation, l'exposition aux ondes électromagnétiques est particulièrement inférieure comparé à l'utilisation d'un téléphone mobile.

Bruit des fours à micro-ondes

Les organes d'un four à micro-onde sont essentiellement optimisés pour abaisser son coût, perfectionner l'ergonomie et l'esthétique, secondairement pour diminuer son bruit. En dehors des bruits de cuisson, il y a trois sources de bruits :

• le transformateur vibrant à la fréquence du secteur, à cause de l'extrême économie réalisée sur sa technologie (enroulements non enrobés, pertes fer importantes).
• le ventilateur, qui doit être assez puissant pour évacuer à peu près 40% de l'énergie consommée.
• le plateau tournant, son moteur et ses roulements.

Ces bruits sont fréquemment augmentés par la carrosserie faite de tôles simple sans traitement anti-vibrations.

Précautions d'utilisation

• Des cas de brûlures ont été signalés après utilisation de compresses mouillées et chauffées par micro-ondes, de même qu'après utilisation du micro-onde dans le chauffage des biberons, surtout du fait d'une répartition inégale de la chaleur.
• L'utilisation médicale de "poches de gels micro-ondables", remplaçant progressivement les bouillottes respectant les traditions, est de plus en plus fréquente. Elle expose à des brûlures graves, suite à des ruptures des systèmes ou à des contacts prolongés sur la peau.
  

Il est conseillé de s'assurer que le système ne présente pas de fuite, qu'il ne gonfle pas au cours du chauffage (attendre tandis quelques minutes avant de le sortir du four), d'attendre 10 mn après le chauffage avant application sur la peau (la rétention de la chaleur est plus durable avec les gels, comparativement à d'autres produits comme le coton, les compresses ou des serviettes), d'éviter les contacts prolongés avec la peau (la chaleur perçue n'est pas la chaleur transférée^[3] ; la température interne est plus importante que la température externe) ^[4].

Utilisation en chimie

Les fours à micro-onde sont utilisés depuis la fin des années 1990 dans les laboratoires de chimie (synthèse assistée par micro-ondes). Dans une réaction chimique, les micro-ondes vont activer directement les ions mais aussi la majorité des molécules qui possèdent un moment dipolaire. Dans la mesure où le transfert d'énergie entre les micro-ondes et les molécules est extrêmement rapide (de l'ordre de la nanoseconde), les molécules de réactif ou de solvant sont incapables de relaxer totalement (de l'ordre du dixième de microseconde) et d'atteindre l'équilibre thermique. Cela crée ainsi un état hors-équilibre qui se traduit par une température instantanée (Ti) des molécules. Cette température n'est pas directement mesurable, mais est énormément plus grande que celle mesurée (celle du solvant, Ts). La synthèse assistée par micro-ondes a trouvé ses premières applications en chimie organique, où certaines réactions se sont révélées 1 000 fois plus rapides avec un chauffage micro-ondes qu'avec un chauffage respectant les traditions (bain d'huile, plaque chauffante, etc). Depuis 2000, les travaux se multiplient aussi dans le domaine de la synthèse de matériaux et nanomatériaux par chauffage micro-ondes.

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• (en) Expériences avec un four à micro-ondes
• (fr) Le four à micro-ondes domestique

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