Four a micro-ondes

Un four à micro-ondes est un appareil électroménager, permettant la cuisson rapide d'aliments destinés à la consommation humaine ou animale. Il est de plus très 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.

Sommaire 1 Histoire 2 Fonctionnement général 2.1 Magnétron 2.2 Alimentation électrique 2.3 Commande de puissance 2.4 Cuisson de l'aliment 2.4.1 Action des micro-ondes sur la molécule d'eau 2.4.2 Pénétration des ondes à l'intérieur de l'aliment 3 Objets métalliques dans un four à micro-ondes 4 Le rayonnement et l'Homme 5 Bruit des fours à micro-ondes 6 Précautions d'utilisation 7 Utilisation en chimie 8 Notes et références de l'article 9 Voir aussi 9.1 Liens externes

Histoire

C'est Percy Spencer qui eut l'idée d'utiliser les micro-ondes pour cuire les aliments, alors qu'il travaillait pour Raytheon à la construction de magnétrons pour les radars. Alors 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.

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 1946, la société Raytheon breveta le procédé de cuisson par micro-ondes puis en 1947 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 système à base d'eau, avait une puissance de 3 kwatts.

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 sert à 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 séparées par un espace que l'on appelle l'espace d'interaction qui se trouve sous vide. Ces cavités dites « cavités résonnantes » peuvent avoir des formes différentes selon le magnétron considéré. On trouve aussi deux aimants qui sont fixés perpendiculairement par rapport 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 fournie) demande environ 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 très 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 varier la puissance de cuisson, le magnétron fonctionne par intermittence , l'alimentation est commandée en tout-ou-rien à un rythme relativement bas et avec un rapport cyclique de ~0 à 100% selon la puissance demandée par l'utilisateur. C'est ce que l'on appelle la modulation par largeur d'impulsion.

Par exemple, pour un four de 800 W, si le bouton de commande est placé sur 400 W le magnétron sera alimenté pendant 7,5 secondes, coupé pendant les 7,5 secondes suivantes, alors 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 système de came avec un contact, lié à la minuterie qui permet de faire varier 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 formée 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, et 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 particulier. Mais lorsqu'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.

Quand elles 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 donc de dégagement de chaleur. En effet, ce n'est qu'au-delà de la fréquence de 1 GHz environ 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 égales 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 que l'on appelle une perte diélectrique, génératrice de chaleur, et due à un phénomène que l'on appelle "relaxation" des molécules d'eau. Il ne s'agit donc 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 celui-ci. En effet, si l'on avait choisi une fréquence plus faible, l'onde traverserait l'aliment sans le réchauffer, puisque les molécules oscilleraient librement, permettant une conservation du champ électrique dans la matière, et donc sans causer de perte diélectrique. Par contre, si l'on avait choisi une fréquence plus élevée, l'onde serait totalement absorbée en surface de l'aliment, en raison de l'impossibilité de l'eau d'osciller en phase, et donc la localisation de la totalité des pertes diélectriques en surface.

Suite au dégagement de chaleur, la 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 lorsqu'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 forcément 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 quasiment la seule 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 à l'intérieur de l'aliment

La pénétration des ondes à l'intérieur d'un aliment diffère en fonction de ce dernier, plus particulièrement de sa concentration et sa composition.

Lorsqu'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 appelée 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 tous les endroits de l'aliment. Pour ce faire, l'aliment est déposé sur un plateau tournant. Ainsi, lorsque les parois de la cavité du fours font réfléchir les ondes, celles-ci atteignent différents endroits de l'aliment mis sur ce plateau tournant, ce qui assure une distribution relativement 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 toutefois 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 donc beaucoup 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, soit le même niveau qu'un téléphone GSM de 2 W^{[Où ?]}.

Une étude suisse^[1] 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, étant donné les distances et durées d'utilisation, l'exposition aux ondes électromagnétiques est très inférieure par rapport à l'utilisation d'un téléphone mobile. Toutefois, les effets de cette exposition ne sont pas encore officiellement connus.^{[réf. nécessaire]} On ne peut donc pas tirer de conclusion sur le caractère bénin ou dangereux de ces derniers.

Bruit des fours à micro-ondes

Les organes d'un four à micro-onde sont principalement optimisés pour abaisser son coût, améliorer 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, en raison de l'extrême économie réalisée sur sa technologie (enroulements non enrobés, pertes fer importantes).
• le ventilateur, qui doit être assez puissant pour évacuer environ 40% de l'énergie consommée.
• le plateau tournant, son moteur et ses roulements.

Ces bruits sont souvent amplifiés 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, notamment du fait d'une répartition inégale de la chaleur.
• L'utilisation médicale de "poches de gels micro-ondables", remplaçant progressivement les bouillottes traditionnelles, est de plus en plus fréquente. Elle expose à des brûlures graves, suite à des ruptures des dispositifs ou à des contacts prolongés sur la peau.
  

Il est conseillé de s'assurer que le dispositif ne présente pas de fuite, qu'il ne gonfle pas pendant le chauffage (attendre alors 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^[2] ; la température interne est plus importante que la température externe)^[3].

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 ainsi que la plupart des molécules qui possèdent un moment dipolaire. Étant donné que 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 complètement (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 bien 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 traditionnel (bain d'huile, plaque chauffante, etc). Depuis 2000, les travaux se multiplient également dans le domaine de la synthèse de matériaux et nanomatériaux par chauffage micro-ondes.

Notes et références de l'article

Voir aussi

• Micro-onde

Liens externes

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

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