IV.1 - TPE - Vitesse de la lumière

IV.1 Présentation, description du four à micro-ondes

IV.1.1 Historique
IV.1.2 Présentation du four à micro-ondes
IV.1.3 Principe de chauffage du four à micro-ondes

IV.1.1 Historique

’est en Angleterre, durant les années 1930 que la technologie des micro-ondes démarre. Elle y est engagée par un groupe de chercheurs britanniques dirigés par les professeurs Boot et Randall. Mais il faudra attendre la seconde guerre mondiale, pour que le four à micro-ondes soit inventé et envahisse progressivement les foyers. Il trouve son essor dans les années 1980. La preuve en est qu’aujourd’hui, c’est un matériel électroménager indispensable et présent dans bon nombre de cuisines. Le fruit de son succès réside dans sa technique de cuisson. En effet, il utilise des ondes électromagnétiques de haute fréquence (de l’ordre de 2450 Mhz) pour cuire ou réchauffer rapidement des aliments. C’est cette rapidité qui est très appréciée.

IV.1.2 P

résentation du four à micro-ondes

e matériel utilisant un tout autre mode de cuisson est en fait une cage métallique à l’intérieur de laquelle on chauffe la matière. Paraissant à première vue banale, il s’ appuie toutefois sur une pièce maîtresse : le magnétron (inventé par un groupe de chercheurs britanniques en 1939). Bien évidement nous pouvons remarquer que ce four est composé d’éléments complémentaires, sans intérêts dans le cadre de notre étude TPE. Le principe de fonctionnement du magnétron ne sera pas développé en détails. Le schéma ci-dessous, illustre les parties les plus importantes du four à micro-ondes.

Fig.1, Schéma d’un four à micro-ondes avec ses principaux composants
(Les flèches dans le FMO sont ici en illustration car représenté ainsi elles sont incorrectes.
En effet elles représentent les micro-ondes émises par le magnétron).

e four à micro-ondes marche selon un principe assez simple. Le magnétron produit des micro-ondes (à la manière d’un émetteur radio), qui doivent être conduites vers la cavité du four. Pour ce faire, d’après un principe assez complexe, les micro-ondes sont prélevées par une boucle de couplage dans le magnétron, puis grâce à une antenne sont émises dans un guide d’ondes qui va tout simplement les amener vers l’intérieur du four (figure 1). Les micro-ondes sont ainsi émises dans le four à l’aide d’un brasseur d’ondes ou agitateur. Elles vont alors se diffuser dans tous les sens en se réfléchissant sur les parois du four.

Fig.2, Schéma du magnétron d'un four à micro-ondes

IV.1.3 P

rincipe de chauffage du four à micro-ondes

Fig.3

vant de parler du fonctionnement des micro-ondes, commençons d’abord par définir ces ondes. Elles appartiennent au spectre électromagnétique et leur fréquence se situe entre les ondes infrarouges et les ondes radio. Leurs longueurs d'ondes sont comprises entre le millimètre et quelques dizaines de centimètres. Ces ondes sont également utilisées dans les radars, les communications satellites ou les téléphones portables. Elles ont la propriété de se réfléchir sur les parties métalliques.

e plus, ces micro-ondes sont qualifiées aussi d’ondes électromagnétiques comme la lumière. Une micro-onde est donc associée à un champ électrique changeant de sens périodiquement. Une fréquence de 1 hertz signifie que le champ s’inverse une fois par seconde.

i on prend maintenant la fréquence des micro-ondes : 2,450 GHz, on a une inversion du champ 2.45 milliard de fois par seconde. Donc quand ces micro-ondes sont absorbées par la matière, les molécules contenues dans celle-ci vont réagir. En effet, les molécules sont sensibles au champ électrique, et particulièrement les molécules d’eau, qui sont présentes dans la plupart des aliments et souvent en majorité. Les molécules de graisses et de sucres réagissent aussi. Comme seules les molécules réagissent, l’intérieur du four à micro-ondes et les plats ne chauffent pas.

Fig.4

i on étudie de plus près la molécule d’eau, on s’aperçoit qu’elle est dipolaire (figure 4). Les deux atomes d’hydrogène, posés sur celui d’oxygène, forment un pôle positif tandis que les électrons tendent à se rapprocher de l’atome d’oxygène à cause de l’électronégativité. Ainsi ils forment le pôle négatif. La mise en commun des électrons permet de relier ces trois atomes. De plus, sa petite taille lui permet de tourner.

uand la molécule d’eau est placée dans un champ électrique, elle va donc bouger et s'aligner dans la direction du champ. Comme, dans notre cas le champ électrique n'arrête pas de changer de sens, les molécules d'eau n'arrêtent pas de bouger.

Fig.5

ette polarisation est expérimentalement facile à vérifier, d’ailleurs nous avons pu dans le cadre scolaire le réaliser : si on frotte une règle avec un chiffon en laine, on dépose par conséquent sur la régle des électrons. La règle est alors chargée négativement. A cet instant si on approche la règle très proche d’un filet d’eau pure (ne contenant aucun ions), sans le toucher, on remarque que le filet d’eau est attiré par la règle (figure 6). C'est bien le signe que l'eau est sensible au champ électrique. Ainsi nous mettons en relief le caractère dipolaire de la molécule. En effet, il y a déplacement du filet car les molécules grâce à leur dipolarité et leur petite taille, se déplacent, tournent et s’orientent par rapport au champs électrique que soumet la règle électrisée.

onc comme un aliment absorbe des micro-ondes, les molécules d’eau dans cette matière sont soumises à une inversion du champ électrique de 2.45 milliards de fois par seconde. Elles vont d’après leurs caractéristiques suivre cette inversion, en tournant et vibrant à une vitesse incroyable. Cette friction moléculaire engendre un dégagement de chaleur, comme lorsque l’on se frotte les mains. Cette chaleur est alors transmise de couches en couches de l’aliment par conduction. C’est ainsi que l’aliment permet d’être chauffé.

e four est donc capable de faire cuire et réchauffer les aliments uniquement grâce aux micro-ondes. Ce phénomène ne se produit pas avec des fréquences plus basses, comme celles de la radio, mais bien seulement qu’à partir d’un giga hertz car c’est à partir de cette fréquence que le mouvement des molécules d’eau se désordonne.