Le four a micro-ondes Comment ça Marche
On fait de la cuisson sur ondes électromagnétiques depuis que le monde est monde : en mettant le gigot au-dessus des braises. On les a aujourd'hui remplacées par un magnétron, qui émet des ondes un peu plus longues que l'infrarouge ; mais le principe reste le même.
Faire la cuisine avec la radio est fort courant : d'une main on règle la station et de l'autre on tourne la casserole sur le gaz. Cela se fait depuis plus de cinquante ans. Mais, et c'est plus récent, on descend des grandes ondes aux petites ondes, de là, aux ondes courtes, puis aux ultra-courtes de la modulation de fréquence. Encore un cran vers le bas, et on arrive aux micro-ondes : plus besoin de gaz, on met directement la casserole sous l'émission radio, et le plat est cuit en moins de deux minutes.
Finalement, on cuisine bien avec la radio ou, plus précisément, avec un émetteur radio, qui aurait aussi bien pu servir au radar de l'aérodrome voisin ou à la retransmission du match retour Agen-Béziers. C'est ici qu'il faut rappeler une chose à laquelle on pense rarement : les ondes radio transportent de l'énergie. Les opérateurs radar y font attention, pas les auditeurs de la radio ou les spectateurs de la télévision.
Certes, il faut tenir compte de la manière dont cette énergie est absorbée et, pour cela, donner un premier coup d'oeil au vaste spectre des ondes électromagnétiques. Celles-ci sont faites de la propagation simultanée d'un champ électrique et d'un champ magnétique, dont les plans d'oscillation sont à angle droit ; ces oscillations sont sinusoïdales, et leur vitesse de propagation est de 300 000 km/s.
La fréquence de ces oscillations va du plutôt lent à l'hyper-rapide : de quelques périodes par seconde à des milliards de milliards de périodes par seconde, sans que l'on sache très bien où se situent les limites aux deux extrémités - la seule chose certaine étant qu'il n'y a ni infiniment lent ni infiniment rapide, l'infiniment petit et l'infiniment grand étant des notions essentielles en mathématiques, mais peu réalistes en physique.
Un champ magnétique est capable, on le sait, d'actions à distance : un aimant peut soulever un clou, donc fournir un travail ; un champ magnétique est donc porteur d'une certaine énergie potentielle. Il en va de même du champ électrique, bien que son action soit, à notre échelle, moins forte ; mais une tige de plastique électrisée peut attirer des brins de fil ou des miettes de polystyrène expansé : là encore il y a travail, donc énergie.
Un champ électromagnétique transporte donc de l'énergie ; mais, selon sa fréquence, nous serons sensibles ou insensibles à cette énergie. L'unité de fréquence est le hertz, une oscillation par seconde, mais on peut aussi caractériser un phénomène périodique par sa longueur d'onde, distance qui sépare deux maxima ou deux minima d'intensité - par exemple, dans le cas d'ondulations à la surface de l'eau, la longueur d'onde est l'écart entre deux crêtes ou deux creux de vagues.
Il en découle que la vitesse de propagation d'un phénomène oscillant est égale au produit de la longueur d'onde par la fréquence. Pour les ondes électromagnétiques qui nous intéressent ici, les longueurs d'onde auxquelles nous sommes particulièrement sensibles sont celles qui vont de 0,4 mm à 0,8 mm (1 mm = 1 millième de mm) et que nous percevons comme lumière visible. Un éclair de flash dans les yeux, un rayon de Soleil un peu vif nous prouvent tout de suite que cette lumière transporte de l'énergie. En revanche, une statue de verre ne sentirait rien puisque la lumière traverse le verre sans être absorbée et sans y laisser son énergie.
Face à un rayonnement électromagnétique, il existe donc des matériaux qui sont transparents, d'autres qui sont opaques (le rayonnement est absorbé et cède son énergie), et d'autres enfin qui sont réfléchissants (le rayon rebondit sur la surface).
En pratique, il y a toujours simultanément les trois processus, transmission, absorption, réflexion, mais en général l'un d'eux prédomine et les deux autres restent négligeables. Tout dépend de la fréquence du rayonnement et de la nature de la substance : un même élément peut être surtout transparent pour une fréquence, plutôt opaque pour une autre, de nouveau transparent pour une troisième, et ainsi de suite.
C'est ainsi que, au-delà des fréquences que nous percevons comme lumière violette, existent des rayons ultraviolets, puis X, puis gamma - en allant vers des fréquences de plus en plus hautes comme on monterait les gammes vers les aigus sur un clavier de piano. Nous ne percevons pas directement les ultraviolets bien que la peau, qui leur est opaque, y soit très sensible : l'énergie absorbée se traduit par des coups de Soleil et des réarrangements moléculaires qui peuvent mener à des tumeurs.
En descendant les fréquences dans l'autre sens vers le bas, à partir du rouge, on trouve d'abord l'infrarouge qui pénètre plus profondément dans la peau que le visible : son énergie est absorbée, ce qui se traduit par un échauffement que tout le monde a éprouvé : on sent à distance la chaleur d'un fourneau ou d'un tas de braises, et on peut constater qu'effectivement la peau et les habits commencent à être vraiment chauds.
Un rayonnement infrarouge intense, comme celui dégagé par un incendie ou par la coulée d'un haut fourneau, entraîne en peu de temps, et même à plusieurs mètres, une élévation de température telle qu'il y a brûlure nette de la peau et inflammation des vêtements - ou de toute autre matière combustible laissée longtemps à proximité de la source de rayonnement.
L'infrarouge s'étend, en longueur d'onde, de 1 mm à 1 mm. Au-delà commence le domaine des micro-ondes, celles des radars, des radiotélescopes et des fours dont on se sert à la cuisine. Précisons toutefois que les ondes restent de même nature, qu'il s'agisse des rayons X, d'une lumière verte ou des grandes ondes de la radio ; dans tous les cas, il s'agit toujours des ondes électromagnétiques.
L'effet des ondes sur la matière dépend des propriétés électriques et magnétiques du matériau rencontré, mais obéit aussi à ce qu'on appelle l'effet d'échelle : à très haute fréquence, les longueurs d'onde sont proches des dimensions moléculaires, et les rayons x ou gamma agissent directement sur les particules atomiques, sur les atomes et sur les molécules. Ce sont des rayonnements ionisants ; ils traversent la plupart des corps organiques et, plus difficilement, les métaux, mais leur passage se traduit par des modifications de répartition des charges dans les atomes (c'est l'ionisation).
Les ultraviolets sont beaucoup moins pénétrants : les métaux les réfléchissent en majeure partie mais ils pénètrent les corps organiques sur une faible profondeur. A partir du visible, les métaux deviennent complètement réfléchissants pour toutes les longueurs d'onde, mais il n'en va pas de même des tissus animaux : l'infrarouge, nous l'avons dit, pénètre plus loin que le violet, et les micro-ondes traversent plusieurs centimètres avant d'être totalement absorbées.
Au-delà, pour les longueurs d'onde dépassant quelques mètres, les corps organiques redeviennent transparents comme ils l'étaient pour les rayons X : les ondes radio traversent un animal ou un arbre aussi aisément et sans plus de conséquence que la lumière traverse le verre. C'est donc entre le micromètre de l'infrarouge et les 30 cm des micro-ondes qu'il y a le maximum de pénétration et d'absorption du rayonnement.
Du moment où le rayonnement est absorbé, son énergie l'est aussi ; dans le cas des tissus animaux, cette énergie va se retrouver sous forme de chaleur. La longueur d'onde de l'infrarouge est proche de la dimension d'une cellule, et l'absorption commence dès les premières cellules rencontrées, donc sur une faible profondeur. L'énergie électromagnétique se retrouve sous forme d'agitation moléculaire, laquelle traduit tout simplement une élévation de température en surface.
Dès l'invention du feu, on a cuit les aliments aussi bien par contact avec une pierre chauffée sur les flammes que par transformation en chaleur d'un rayonnement électromagnétique : la cuisine avec des ondes date de la préhistoire. Quand on expose un morceau de viande à un tapis de braises, la chaleur des braises n'est pas transmise par conduction puisqu'il n'y a pas contact.
Une seule onde, des milliers de sources
Les rayonnements élecromagnétiques s'étendent sans discontinuité des rayons gamma aux grandes ondes radio : seule change la fréquence du phénomène, mais pas sa nature. A chaque fois, nous avons symbolisé l'un des émetteurs possibles d'une gamme de fréquences et, au-dessus, l'un des récepteurs adaptés à cette gamme.
En réalité, c'est le rayonnement infrarouge émis par ces braises qui est absorbé et transformé en chaleur à la surface de la viande. Les infrarouges pénétrant peu, la surface se trouve vite grillée tandis que l'intérieur reste rose ou carrément rouge. La viande n'est jamais vraiment cuite en profondeur, bien que la chaleur de la surface se transmette lentement par conduction à tout le morceau. Ce style de cuisson est toujours utilisé sur les braises de la cheminée, sur celles du barbecue, ou avec des résistances portées au rouge dans les grille-pain.
Si l'on veut une cuisson en profondeur, il faut utiliser une plus grande longueur d'onde, de l'ordre d'une dizaine de centimètres. Mais ces rayonnements, qui existent en proportion infime dans le rayonnement solaire ne sont émis ni par les flammes ou les braises, ni par des filaments portés à incandescence par effet Joule. En revanche, on peut les obtenir avec un émetteur d'ondes radio d'un type très particulier, le magnétron, qui ne sera pleinement maîtrisé que dans les années 1935 et servira d'abord et avant tout pour les radars.
Ce n'est qu'en 1947 qu'il sera utilisé pour la cuisine dans des cantines militaires. Le magnétron est une sorte de lampe à vide constituée d'un corps d'anode (positif) cylindrique entourant une cathode (négatif) axiale chauffée par un filament à basse tension. On applique une haute tension - de 4 000 à 5 000 volts - entre cathode et anode, et un aimant permanent donne unchamp magnétique intense dans l'axe de l'anode.
Sans ce champ magnétique, les électrons émis par la cathode portée à incandescence seraient attirés radialement vers l'anode sous l'influence du champ électrique dû à la haute tension. Mais s'il n'y avait que le champ magnétique, ils décriraient une boucle les ramenant vers la cathode. En présence des deux champs, les mouvements se composent et les électrons tournent autour de la cathode en un nuage qui a la forme d'une hélice à plusieurs pales.
Comme on le voit sur le dessin, l'anode est creusée de cavités communiquant par des fentes avec le trou central occupé par la cathode. En tournant, le nuage d'électrons engendre des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est déterminée par le diamètre des cavités qui jouent le rôle de cavités résonantes. Ces ondes sont récupérées par ce qu'on appelle une boucle de couplage et envoyées dans le four lui-même, où sont placés les aliments à chauffer.
La source de chaleur du micro-onde
Le magnétron, qui équipe tous les fours à micro-ondes et une bonne partie des radars, est fait d'une anode cylindrique (1) percée d'alvéoles (2) communicant avec la cavité centrale où se trouve une cathode chauffée (3) qui libère des électrons ; ceux-ci sont soumis à la fois au champs magnétique d'un aimant (4) et au champs électrostatique de la haute tension qui règne entre cathode et anode. Sous l'influence de ces deux champs, les électrons tournent en nuages regroupés en ailes de moulin qui engendrent, lors de leurs passages devant les alvéoles, des ondes de haute fréquence qui entrent en résonance dans ces cavités. Une boucle de couplage (5) recueille ces ondes qui seront dirigées vers l'enceinte du four.
En pratique, la fréquence utilisée est de 2 450 mégahertz - il y a 2 milliards 450 millions d'oscillations par seconde -, ce qui correspond à une longueur d'onde de 12,24 cm. Cette longueur est de l'ordre des dimensions humaines, telle la taille d'une main ou d'un muscle, et il y a donc un effet de couplage important. Toutefois, ce sont les propriétés électriques de la matière animale ou végétale qui vont conditionner l'action de ces micro-ondes.
Les aliments, qu'il s'agisse d'une tranche de rôti ou d'une pomme de terre, renferment surtout de l'eau : de 75 % à 90 % si l'on exclut les os. C'est donc l'action des micro-ondes sur l'eau qui va être essentielle. Or, la molécule d'eau n'est pas électriquement neutre, elle fait partie des molécules, dites polaires, dans lesquelles existe un couple de deux charges électriques voisines, de valeurs absolues égales mais de signes contraires - ce couple forme un dipôle électrique.
Ce dipôle se comporte dans un champ électrique comme une aiguille aimantée dans un champ magnétique : il s'oriente dans le sens des lignes du champ. On vérifie facilement ce fait en approchant un corps électrisé (barreau de plastique frotté sur un tissu sec) d'un filet d'eau coulant du robinet : le filet est dévié par le champ électrique du barreau.
Quand un faisceau de micro-ondes traverse de l'eau, ou un milieu fortement hydraté, toutes les molécules s'orientent dans le sens du champ électrique de ces ondes. Mais comme ce champ change de sens des milliards de fois par seconde, les molécules suivent le rythme et basculent sans cesse à la même fréquence - chacune se comporte comme l'aiguille d'une boussole au-dessus de laquelle on ferait se balancer un aimant.
Ces oscillations entraînent des milliards de chocs qui augmentent l'agitation moléculaire naturelle, à la fois en fréquence et en amplitude. Comme l'agitation moléculaire correspond à la température, celle-ci s'élève. L'énergie du faisceau de micro-ondes se retrouve sous forme de chaleur et ce, jusqu'à une profondeur qui peut atteindre plusieurs centimètres. Contrairement aux ondes infrarouges qui ne cuisent qu'en surface, les micro-ondes cuisent en profondeur.
Mais comme le transfert d'énergie se fait dans un plus grand volume, à énergie rayonnée égale la montée en température est plus lente : un être vivant perçoit tout de suite un rayonnement infrarouge et s'en écarte par réflexe, mais il ressentira trop tard un rayonnement micro-onde, quand la cuisson des zones profondes aura déjà commencé. De là les consignes très sévères prises autour des radars, et la présence de plusieurs dispositifs de sécurité sur les fours micro-ondes destinés à la cuisine
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