Le four à micro-ondes
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Le four à micro-ondes ULB – Faculté des Sciences – Département de Physique Pawel Krynski & Adrien Ooms Le four à micro-ondes a fait ses entrées dans nos cuisines à la fin du 20ème siècle et a révolutionné nos habitudes alimentaires. Il est le fruit à la fois de découvertes majeures sur l’électromagnétisme au 19ème siècle et du développement technologique tout au long du 20ème siècle, en parallèle notamment avec celui de la communication radio et mobile. Mais, au fond, comment ça fonctionne un micro-ondes ? Et qu’est ce qui le rend si différent d’un four classique ? Pour le comprendre, nous devons d’abord parler de quelques concepts physiques fondamentaux. Les Ondes Electromagnétiques Qu’est ce qu’une onde ? Vous connaissez déjà différents types d’ondes, par exemple les ondes à la surface de l’eau dans un étang ou les ondes sonores se déplaçant dans l’air. En général, une onde correspond à un phénomène de propagation d’énergie sans déplacement de matière : le son se propage dans l’air sans pour autant qu’il y ait du vent ou un déplacement apparent de volume d’air. Pensez aussi à une onde sur une corde de guitare : la corde vibre mais reste dans sa position. L’énergie, elle, se déplace sur la corde et peut être transférée à l’air sous forme d’onde sonore. L’onde peut être plus ou moins longue et peut osciller plus ou moins vite, on parle alors respectivement de longueur d’onde et de fréquence. L’onde peut aussi osciller plus ou moins fort, c’est son amplitude, il s’agit aussi d’une mesure de l’énergie transportée par l’onde : un tsunami possède beaucoup plus d’énergie qu’une vaguelette dans un étang ! Et les ondes Electromagnétiques ? Celles-ci font appel au concept de champ électrique et magnétique dont tu as peut-être entendu parler. Ce sont ces champs qui sont présents dans les câbles des circuits électriques ou autour des aimants. Ces champs peuvent se propager ensemble à travers l’espace et eux aussi peuvent transporter de l’énergie. Prédites par Maxwell et observées pour la première fois par Hertz à la fin du 19ème siècles, les ondes électromagnétiques couvrent une gamme importante de phénomènes physiques dans la nature. Des ondes radios aux rayonnements Gamma des étoiles en passant par la lumière visible, elles sont présentes tout autour de nous et forment une part essentielle de la nature. Elles trouvent de plus en plus d’applications fondamentales dans tous nos moyens de communication moderne. Les micro-ondes font partie du spectre électromagnétique, et se situent entre les ondes radio et la lumière infrarouge. C’est un peu comme de la lumière invisible ! Le nom micro-ondes prête parfois à confusion : il ne fait pas référence à sa longueur d’onde (qui est de l’ordre du centimètre et pas du micromètre), mais simplement à leur petite taille comparée aux ondes radios qui elles sont de l’ordre de la dizaine de mètre ! Les Ondes Stationnaires Vous commencez maintenant à comprendre comment on peut transporter de l’énergie grâce aux ondes électromagnétiques ? C’est exactement ce que fait le four à micro-ondes. Cependant, il y a différentes manières d’utiliser les ondes, et certaines sont plus efficaces que d’autres en fonction de la situation. En particulier, lorsque l’on veut transférer le plus d’énergie possible aux aliments, c’est à dire maximiser l’amplitude de l’onde, et qu’on est confiné dans une certaine région de l’espace, on peut utiliser ce qu’on appelle des ondes stationnaires. Ondes stationnaires dans une corde. Les ondes stationnaires se forment lorsque l’on additionne plusieurs ondes nonstationnaires sur la même corde : il peut se former une configuration ou certaines parties de la corde ne bougent plus et d’autres bougent fortement, mais uniquement dans la direction transversale. Ces points sont appelés respectivement nœuds et ventres. Il s’agit alors d’une onde stationnaire. Un bon exemple est celui des instruments à cordes comme la guitare ou le violon qui fonctionnent grâce aux ondes stationnaires. A notre stand, vous pourrez observer des ondes stationnaires sur un slinky. Printemps des Sciences 2016 – Bruxelles Ondes stationnaires dans un Micro-onde. Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques peuvent aussi se présenter sous la forme stationnaire. C’est le cas dans le four à micro-ondes. Elles sont générées par une composante de l’appareil appelée magnétron, entrent dans la cavité par un orifice et puis se réfléchissent sur les parois métalliques pour pouvoir se superposer. Puisqu’on parle d’ondes stationnaires, il y a des nœuds et des ventres, donc des endroits où l’onde est plus forte et d’autres où elle est plus faible. On peut visualiser ces ondes en enlevant le plateau et en plaçant une tablette de chocolat pour quelques dizaines de secondes : certaines parties auront fondu et d’autre non! C’est pour cette raison que la plupart des fours à micro-ondes sont équipés d’une plaque tournante : celle-ci transporte les différentes parties du plats en alternance dans les zones chaudes, celles au l’onde stationnaire s’est construite. Sans elle, le chauffage serait inhomogène. A notre stand, vous pourrez observer la mise en évidence des ondes stationnaires dans un micro-ondes à l'aide de papier thermique. L’échauffement diélectrique Mais il reste alors une question : comment l’onde électromagnétique transfère-t-elle effectivement l’énergie à la matière de nos aliments ? On dit parfois que ces ondes interagissent spécialement avec l’eau. C’est vrai, mais pas seulement. En général, les ondes électromagnétiques interagissent avec les particules possédant une charge électrique. C’est le cas de toute la matière qui nous entoure, mais à l’échelle moléculaire la matière est globalement neutre : le champ sera sans effet. Alors, comment le champ fait-il pour interagir avec les molécules d’eau ? Vous avez peut-être déjà entendu parler du dipôle électrique de l’eau : c’est une molécule où les charges électriques sont asymétriquement agencées. C’est cette asymétrie dans la molécule qui permet au champ d’avoir un effet sur lui. Pense aux expériences d’électrostatique : rappelez-vous de la force de Coulomb, c’est la force qui agit sur une charge électrique en présence d’un champ électrique. Et une onde électromagnétique, comme le nom l’indique, est une association d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui varie très rapidement. Ce champ électrique influe sur les charges en poussant ou en attirant celles ci. Si elles sont positionnées de manière non symétrique, l’onde (le champ) pourra pousser une partie de la molécule et attirer une autre. Par conséquent, le champ va pousser ou attirer la molécule d’eau toute entière : bingo ! C’est comme ça que le champ transfère son énergie aux molécules. Et des molécules qui bougent plus vite, c’est exactement ce que nous appelons température. Et l’onde pourra faire de même avec toute molécule possédant une distribution de charge asymétrique ! Pour finir, nos aliments, tout comme les êtres vivant dont ils proviennent ou notre propre corps, sont constitués en grande partie d'eau et d'autres molécules polaires, et c'est pourquoi ils chauffent dans le micro-onde! A notre stand, vous pourrez observer comment le micro-ondes est sans effet sur une molécule apolaire : l'hexane. La molécule d'eau l'onde électromagnétique les ondes stationnaires images source: wikipedia commons Printemps des Sciences 2016 – Bruxelles UNIVERSITÉ LIBRE DE BRUXELLES - FACULTÉ DES SCIENCES Le Four à Micro-ondes DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE Pawel KRYNSKI et Adrien OOMS Un micro-historique 1967 1933 1947 La micro-onde En 1945, Percy Spencer, un ingénieur américain travaillant pour la marine, remarqua qu’après être restée quelques instants à proximité d’une antenne émettant des microondes, la barre de chocolat qui se trouvait dans la poche de son pantalon avait fondu. Le micro-ondes était né! Une onde électro-magnétique Le spectre électro-magnétique Une onde est une propagation d'énergie sans déplacement de matière: pense par exemple à une vague sur l'eau. La lumière est aussi une onde! Elle fait partie, avec les micro-ondes de ton four, les ondes radios ou encore les rayons X, d'une grande famille qu'on appelle “les ondes électromagnétiques”. © Toute reproduction, même partielle, doit indiquer clairement le nom de tous les auteurs, le nom du Département, ainsi que la mention « Printemps des Sciences 2016 – Exposition des Sciences – Bruxelles » UNIVERSITÉ LIBRE DE BRUXELLES - FACULTÉ DES SCIENCES Le Four à Micro-ondes DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE Pawel KRYNSKI et Adrien OOMS Les ondes peuvent s'additionner pour former une onde stationnaire. Les points où la somme des ondes est nulle sont appelés les ''noeuds''. Les points la somme des ondes varie le plus sont appelés les ''ventres''. Les ondes stationnaires Dans une corde: Aux ventres, l'amplitude de l'onde ainsi formée est plus grande que celle des ondes initiales. Ce principe est utilisé dans ton four pour un chauffage plus rapide. En 3 dimensions: Des micro-ondes pour un méga échauffement! hexane éthanol eau Certaines molécules possèdent un dipôle électrique. Il caractérise l'asymétrie de la répartition des charges “+” et “-” dans la molécule. L'eau et l'éthanol sont des molécules asymétriques: elles possèdent un dipôle. L'hexane par contre est tout à fait symétrique: son dipôle électrique est nul. Le champ électrique du four à micro-ondes interagit avec les molécules des aliments à travers leur dipôle électrique: c'est ainsi que la chaleur leur est transmise. © Toute reproduction, même partielle, doit indiquer clairement le nom de tous les auteurs, le nom du Département, ainsi que la mention « Printemps des Sciences 2016 – Exposition des Sciences – Bruxelles »
