Four à micro-ondes

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Four à 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
Four à micro-ondes

Four à 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. 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.

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.

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.

Magnétron

Magnétron Magnétron de four à micro-ondes 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. 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, la combinaison des deux champs crée un nuage d'electrons 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 electrique

Un magnétron de 1000W (puissanse fournie) demande environ 2500V à 0, 6A en alimentation electrique. Le schéma courant est un montage "Anode à la masse", simplifiant l'isolation. L'alimentation est trés simple, avec un tranformateur d'alimentation unique pour le filament et la THT et un redressement monoalternance avec une diode et un condensateur de filtrage. Il est à noter que les parties sous haute tension présentent un danger mortel et que le dépannage d'un micro-onde sous tension avec le capot ouvert est extrémement dangereux.

Commande de puissance

Le magnétron ne comporte pas d'electrode 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. Par exemple, pour un four de 800 Watts, si le bouton de commande est placé sur 400 Watts 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 microcontrolleur qui commande un relai de modulation. cette logique peut comporter aussi des fonctions d'horloge et de démarrage décalé, des touches prérèglées 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 (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 en une seconde au même rythme que l'onde qui oscille 2 450 000 000 fois par seconde. 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 GigaHertz (1 000 000 000 fois par seconde) 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 dû 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, de par 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 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 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. A la fréquence du four micro-ondes, la molécule d'eau est quasiment la seule à vibrer, de par sa petite taille. Mais elle est suffisante pour réchauffer l'aliment de par son abondance relative, quel que soit l'aliment.

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.

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 5mW/cm² mesuré a 5 cm, soit le même niveau qu'un téléphone GSM de 2W. Une étude suisse donne quelque éléments : four usagé 0, 41 mW/cm² soit 10 fois moins qu'un portable GSM, pour les fours neufs et la majorité des fours usagés le rayonnement est inférieur à celui d'une connexion Wifi. Si le four n'est pas endommagé, étant donné les distances et durées d'utilisation l'exposition aux ondes électromagnétiques est négligeable par rapport à l'utilisation d'un téléphone portable.

bruit des fours à micro-ondes

Les organes d'un four à micro-onde sont principalement optimisés pour baisser son coût et 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'energie consommée.
- le plateau tournant, son moteur et ses roulements. Ces bruits sont éventuellement amplifiés par la tolerie trés simplifée.

Notes et références de l'article

Voir aussi

- Micro-onde ===
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