I. Le magnétron (1/5) a) Structure - Cylindre creux constitué d’une anode et d’une cathode. Dans l’anode sont présentes des cavités résonnantes. - Fermé par deux électro-aimants (ou aimants permanents), qui induisent un champ magnétique parallèle à l’axe du cylindre - Espace d’interaction entre l’anode et la cathode : vide très poussé. - Refroidissement par ailettes, ou par circulation d’eau. I. Le magnétron (2/5) b) Fonctionnement - Principe : arracher des électrons à la cathode pour les faire tourner autour de l’axe sans qu’ils atteignent l’anode. Ces électrons induisent des mouvements d’électrons dans l’anode autour des cavités. Les électrons anodiques rayonnent alors des OEM. 1) Transformer la tension alternative du secteur en tension continue de 3 à 4 kV. Utilisation d’un transformateur (augmentation de la tension), puis d’un filtre RC (tension continue). 2) Application de cette haute tension à l’anode. Ceci induit une différence de potentiel entre l’anode (3,5 kV) et la cathode (0 V), donc création d’un champ électrique radial entre la cathode et l’anode. 3) L’influence du champ magnétique (force de Lorentz : F = eE + ev x B) fait tourner les électrons autour de la cathode. I. Le magnétron (3/5) Exemple : modèle simplifié Déduction d’une condition de coupure (on néglige les répulsions entre électrons). On trouve : - V0 : tension de coupure ; Bc : induction magnétique de coupure. - a : rayon de la cathode ; b : rayon de l’anode. I. Le magnétron (4/5) Modélisation par des circuits LC en série - En pointillés : le champ électrique au abords de la cavité. - En traits pleins : la trajectoire d’un électron. I. Le magnétron (5/5) a) Production des ondes électromagnétiques - l’ensemble des électrons en rotation forme une roue à l’intérieur du magnétron. - la rotation des électrons fait tourner cette roue entre l’anode et la cathode. Quand un « pic » de la roue s’approche d’un bord de l'anode, il induit une charge + par répulsion électronique. - les électrons de l’anode circulent alors entre la charge + et -, et grâce à la forme de la cavité, produisent les OEM lors du parcours (accélération) II. Interaction avec la matière (1/5) a) Étude de la molécule d’eau - Eau : molécule polaire diélectrique, bien qu’électriquement neutre. - Moment dipolaire : 6.31.10-30 C.m - Analogie avec un dipôle électrostatique : le moment dipolaire de la molécule s’aligne avec la directi on du champ électrostatique. - Dans un champ non-uniforme, on trouve : - La molécule d’eau effectue ainsi 2 450 000 000 rotations par seconde, ce qui entraîne l’échauffement de la matière. - Dans un aliment, seuls l’eau, le sucre et les graisses chauffent ainsi. Sans eux, pas de cuisson. - La chaleur est ensuite échangée avec le reste de l’aliment par diffusion ou convection. II. Interaction avec la matière (2/5) a) Étude de la molécule d’eau Phénomène de relaxation diélectrique : existence d’un délai de réponse pour un système soumis à une excitation extérieure. - Il y a relaxation électrique quand on supprime brusquement un champ qui polarisait un matériau. - Temps de relaxation diélectrique : - A haute fréquence : phénomène de déphasage le moment dipolaire de la molécule et le champ électrique On prouve que : ε : permitivité relative complexe du milieu ε’ : traduit la capacité du matériau à être polarisé ε’’ : terme d’absorption, traduit les pertes II. Interaction avec la matière (3/5) b) Choix de la fréquence : 2.45 GHz - N’interfère pas avec les micro-ondes de communication. - À 2.45 GHz : bonne capacité de polarisation de l’eau, ainsi que des pertes conséquentes pour pouvoir chauffer l’aliment. - Longueur d’onde : 12,24cm, de longueur correcte pour des aliments courants (bonne pénétration dans les aliments). II. Interaction avec la matière (4/5) c) Intéraction avec les métaux - Onde éléctromagnétique qui rencontre un métal : induit un courant dans le métal, décrit par la loi d’Ohm : - Équation de type diffusif à l’intérieur du conducteur : - Phénomène d’effet de peau : courant localisé en surface du conducteur (l’onde étant partiellement réfléchie). Épaisseur de peau : II. Interaction avec la matière (5/5) d) Dangers potentiels 1) Phénomènes de surchauffe Dans un récipient trop lisse, un liquide chauffé par micro-ondes peut se trouver dans un état métastable. Il reste liquide bien au-delà de sa température d’ébullition. Toute perturbation du liquide dans cet état (par une cuillère par exemple) peut entraîner un jaillissement violent et dangereux. 2) Les métaux - Dorures ou fines couches métalliques sur de la vaisselle : effet de peau sur une très fine couche de métal, entraîne un jaillissement d’électrons qui ionise l’air. - Objets pointus (fourchette) : accumulation des charges sur les pointes, d’où la formation d’étincelles (cf III). III. Aspect expérimental (1/5) a) De nombreuses expériences possibles - Surchauffe d’un liquide : états métastables. - Glaçon qui ne chauffe pas. - Auto-allumage d’une ampoule soumise à un champ électromagnétique. - CD : courants de Foucault. - Cuisson du pop-corn (anhydre). III. Aspect expérimental (2/6) b) Mise en évidence d’inhomogénéités dans la cavité Expérience 1 : papier filtre imbibé de chlorure de cobalt (CoCl2), placé dans la cavité du four à micro-ondes. CoCl2 change de couleur en fonction de son humidité : CoCl2 humide : rose (hexahydraté). CoCl2 sec : bleu (dihydraté). Experience 2 : papier fax thermique humidifié qui noircit quand il devient sec Précaution : positionnement d’un verre d’eau pour éviter l’endommagement du magnétron. III. Aspect expérimental (3/6) b) Mise en évidence d’inhomogénéités dans la cavité III. Aspect expérimental (4/6) c) Le résonateur à micro-ondes Dispositif en aluminium, qui crée des nœuds et des ventres de tension à l’aide d’une onde stationnaire : III. Aspect expérimental (5/6) c) Le résonateur à micro-ondes : pouvoir des pointes Les électrons sont arrachés de l’antenne et ionisent l’air. Ce phénomène s’effectue grâce à ce qu’on appelle le « pouvoir des pointes » en électromagnétisme. (Paratonnerre). Plus le rayon de courbure est concentration en charge est élevée. faible, plus la III. Aspect expérimental (6/6) c) Mise en évidence d’inhomogénéités - on fait passer une OEM à l’intérieur des câbles, on mesure la tension en bout de câble grâce aux oscilloscopes. - mise en évidence d’inhomogénéités de tension et de courant à l’intérieur du câble coaxial : la tension n’est pas homogène et décrit des ventres et des nœuds de tension.