Four à micro-ondes
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Un four à micro-ondes est un matériel d'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 uniquement par agitation des molécules d'eau que contiennent les aliments.
Cette agitation utilise la fréquence de résonance de la molécule d'eau, ainsi que sa polarisation électrique.
Il est très important de ne jamais placer dans ce type d'appareil :
- D'ustensiles de cuisine en métal, ou tout autre objet métallique : les ondes électromagnétiques émises, par ce type de four, induisant des courants électriques importants dans les métaux provoquant des courts-circuits;
- Ni aucun organisme vivant.
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[modifier] Histoire
C'est Percy Spencer, lorsqu'il travaillait pour Raytheon à la construction de magnétrons pour les radars, qui eu l'idée d'utiliser les micro-ondes pour cuire les aliments. Un jour, alors qu'il était à proximité d'un radar en activité, il a resenti une soudaine et étrange sensation. Il a également remarqué qu'une barre de chocolat qui était dans sa poche avait fondu.
Le premier aliment à avoir été délibérément chauffé par des micro-ondes est du pop-corn, le second est un œuf (qui a explosé au visage d'un des expérimentateurs).
En 1946, Raytheon breveta le procédé de cuisson par micro-ondes et en 1947 elle construisit le premier four à micro-ondes qu'elle commercialisa, le Radarange. Il mesurait 1,8 mètre de haut pour un poids de 340 kilogrammes. Il était refroidi par un système à base d'eau, avait une puissance de 3 000 watts et produisait trois fois plus de radiations parasites qu'un four à micro-ondes actuel.
[modifier] 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 diodes et de capacités.
Le courant arrivant du transformateur élévateur sert à alimenter le magnétron.
[modifier] Magnétron
- Article détaillé : magnétron.
[modifier] Composition
Le magnétron est constitué d'une anode cylindrique, composée de cavités, celles-ci se trouvent dans l'axe d'une cathode chauffante. Il faut savoir que 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.
[modifier] Le fonctionnement
Un champ électrique continu est appliqué entre l'anode et la cathode. Ce champ a une tension 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.
Grâce au champ magnétique créé par les deux aimants perpendiculaires à l'axe anode/cathode, on obtient un mouvement circulaire autour de la cathode. Ces trajectoires ont l'allure de cycloïdes. On considère que chaque électron est animé d'une vitesse v. Le champ magnétique crée, avec le nuage électronique, une force de Laplace qui sert à accélérer les ondes.
Ces charges évoluant entre l'anode et la cathode vont entrer en interaction avec les cavités résonnantes du bloc anodique qui deviennent le support d’oscillations électromagnétiques. Comme nous l'avons vu ci-dessus, le rayonnement électromagnétique est dû à la vibration des électrons dans les cavités résonnantes.
James Clerk Maxwell, en 1865, fit une étude sur les phénomènes électriques et magnétiques d'où « les équations de Maxwell », il arrive grâce à celles-ci à montrer qu'un champ électrique variable produit un champ magnétique variable et inversement. 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.
[modifier] Cuisson de l'aliment
[modifier] 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 (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.
Soumise à un rayonnement la molécule d'eau absorbe l'énergie des ondes électromagnétiques si celles-ci ont une fréquence avoisinant celles des micro-ondes (2 450 MHz). Cette absorption se traduit par une vibration de la molécule d'eau.
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 en une seconde au même rythme que l'onde qui oscille 2 450 000 000 fois par seconde.
Les frottements entre les molécules d'eau créés par ce grand nombre de rotations dégagent de la chaleur. Suite à ce dégagement de chaleur, elle 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 fait que 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 tendances 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.
La molécule d'eau n'est pas la seule à vibrer en la présence de micro-ondes, il y a aussi les sucres et les graisses. Mais ce qui fait que la molécule d'eau soit la seule à jouer un rôle dans le dégagement de chaleur, c'est sa taille. En effet c'est la seule qui soit dipolaire et qui puisse tourner grâce à sa petite taille.
[modifier] Pénétration des ondes à l'intérieur de l'aliment
La pénétration des ondes à l'intérieur des aliments diffère en fonction de ce dernier à savoir sa concentration et sa composition. Quand un aliment est soumis à un rayonnement de micro-ondes il a tendance à rejeter une partie de l'onde et à emmagasiner l'autre. La partie absorbée est appelée énergie calorifique et c'est grâce à elle que l'aliment chauffe. La partie rejetée est appelée l'onde réfléchie.
Pour éviter que certaines parties de l'aliment soient brûlées ou d'autres froides il faut que la distribution des ondes soit la même à tous les endroits de l'aliment. Pour ce faire les parois de la cavité font rebondir les ondes et un plateau tournant permet une distribution homogène des ondes à l'aliment.
[modifier] Les objets métalliques dans un four à micro-ondes
Tout le monde sait qu'on déconseille de mettre des objets métalliques dans un four à micro-ondes. Mais pourquoi?
Cela est dû au champ électrique : aux coins anguleux et pointus du métal (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.
[modifier] 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 est préférable de ne pas utiliser un four à micro-ondes dont la porte serait endommagée.
