Géobiohysique Appliquée ®

Découverte accidentelle

C'est Percy Spencer qui eut l'idée d'utiliser les micro-ondes pour cuire les aliments, alors qu'il dirigeait chez Raytheon l'usine de magnétrons pour radars. Alors qu'il passait à proximité d'un magnétron en activité, il ressenti de la chaleur dans la poche de sa blouse. En plongeant la main dans la poche, il constata qu'une barre de chocolat y avait fondu.

1961. Raytheon RadaRange à bord du Savannah, cargo à propulsion nucléaire de prestige.

Les premiers aliments à avoir été délibérément chauffés par des micro-ondes sont du pop-corn, le second fut un oeuf (lequel a explosé au visage des expérimentateurs)

Développement

En 1947, 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, leRadarange pour 3 500 dollars. Il mesurait 1,80 mètre de haut pour un poids de 340 kilogrammes. Il était refroidi par un système à base d'eau et avait une puissance de 3kW.

Après avoir racheté la société Amana Refrigeration en 1965, Raytheon s'intéressa aux moyens de transformer le micro-ondes en succès commercial pour le grand public. Pour ces besoins, il fallut investir massivement dans la miniaturisation de l'électronique et des circuits intégrés dans des puces. Le four à micro-ondes ne fut un succès public qu'à ce prix, avec le RR-6 Radarange 6, Touchmatic en 1975. La fabrication en série de puces électroniques pour les appareils ménagers permit ainsi de baisser le coût des puces destinées aux produits militaires conçus par Raytheon.

Fonctionnement général

Principe de fonctionnement

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

Le courant arrivant du transformateur élévateur sert à alimenter le 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. 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 résonantes » 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 est acheminée 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 réchauffer 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, la THT, 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 presque 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 est alimenté pendant 7,5 secondes puis coupé pendant les 7,5 secondes suivantes puis à nouveau alimenté. Si le bouton est placé sur la puissance maximale, 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 plus récents, 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

Représentation schématique d'une molécule d'eau avec en rouge l'atome d'oxygène et en blanc les atomes d'hydrogène

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 positifs 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 tournant, les pôles tournent donc perpendiculairement à l'axe de symétrie de la molécule.

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. En revanche, 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.

À la suite du 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 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 four 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 gradientsdu champ sont créés, ce qui donne lieu à des arcs électriques : c'est l'effet de pointe. 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 la santé

Le rayonnement micro-onde n'est pas ionisant. Il est donc beaucoup moins dangereux (mis à part un effet thermique) car à plus basse fréquence (en dessous de spectre visible) que les rayons X ougamma ou même que l'exposition prolongée et répétitive au soleil (risque de mélanomes). 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 suisse3 donne quelques éléments : le rayonnement de fuite moyen mesuré pour des fours usagés est de 0,41 mW/cm² soit 10 fois moins que le niveau de fuite maximal toléré et le débit d'absorption spécifique mesuré à une distance de 5 cm, pour un débit de fuite égal au maximum toléré, est de 0,256 W/kg soit 10 fois moins que la valeur limite recommandée pour un mobile GSM. Pour les fours neufs et la majorité des fours usagés le rayonnement est inférieur à celui d'une connexion Wi-Fi. 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 données les distances et durées d'utilisation, l'exposition aux ondes électromagnétiques (comparaison du type de fréquences utilisées dans les deux applications et de leurs implications sur la santé à faire) est très inférieure à celle liée à l'utilisation d'un téléphone mobile.

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, à la suite de ruptures des dispositifs ou de 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 min 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 transférée4 ; la température interne est plus importante que la température externe)5.

Utilisation en chimie et en biologie moléculaire

Les microndes 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. Des travaux sont également en cours sur la digestion assistée par micro-ondes de protéines6, avant un traitement au spectromètre de masse servant à les identifier. La digestion des protéines par la trypsine est une opération longue et le passage au four à micro-ondes pendant cette phase permet de la raccourcir considérablement (5 minutes au lieu de 16 heures). Cette technique n'a été testée que sur des protéines connues et n'est peut-être pas applicable à tous les échantillons.

Bibliographie

• Ranganath Nayak & John Ketteringham, « Mais c'est de la magie noire ! L'apparition du four à micro-ondes », dans : 12 idées de génie auxquelles personne ne croyait, First, 1987, p. 236-268. Traduit de :(en) Breakthroughs! , Rawson Associates, 1986.