Pourquoi les micro-ondes d’un four à micro-ondes sont-elles accordées à l’eau ?

Catégorie : Physique Publié : 15 octobre 2014

four à micro-ondes

Image du domaine public, source : Christopher S. Baird

Les micro-ondes d’un four à micro-ondes ne sont pas accordées sur une fréquence de résonance de l’eau. En fait, les micro-ondes générées à l’intérieur d’un four à micro-ondes ne sont pas vraiment accordées sur une fréquence de résonance particulière puisque les ondes sont à large bande. Une onde électromagnétique à large bande contient de nombreuses fréquences. Vous avez besoin d’une onde monochromatique (une onde presque monofréquence) pour vous accorder sur une fréquence spécifique. Les faisceaux laser sont monochromatiques. Les ondes radio provenant d’antennes simples sont monochromatiques. Les micro-ondes d’un four à micro-ondes ne sont pas monochromatiques.

Les micro-ondes d’un four à micro-ondes sont créées par un dispositif appelé magnétron, qui est une cavité résonante faisant osciller naturellement le courant à haute fréquence, et émettant ainsi des ondes électromagnétiques. L’oscillation du courant dans le magnétron n’est pas provoquée par un circuit externe délicatement contrôlé. L’oscillation provient plutôt de la façon dont les électrons émis par la cathode frappent l’anode de façon aléatoire, puis se déplacent selon la forme du magnétron. Ce caractère aléatoire fait que le magnétron émet de nombreuses fréquences. De plus, la nature aléatoire de la génération des oscillations rend les fréquences instables et les fait sauter rapidement. Une étude d’un four à micro-ondes domestique typique menée par Michal Soltysiak, Malgorzata Celuch et Ulrich Erle, et publiée dans le Microwave Symposium Digest de l’IEEE, a révélé que le spectre de fréquences du four contenait plusieurs pics larges allant de 2,40 à 2,50 GHz. En outre, ils ont constaté que l’emplacement, la forme et même le nombre de pics larges dans le spectre de fréquences dépendaient de l’orientation de l’objet qui se trouvait dans le four en train d’être chauffé. En d’autres termes, les fréquences exactes présentes dans les ondes électromagnétiques qui remplissent le four dépendent des détails de la nourriture elle-même. Il est clair que les micro-ondes ne peuvent pas être accordées en fréquence sur quelque chose de particulier si les fréquences changent chaque fois que vous chauffez un aliment différent. Dans les applications où la monochromaticité stable est importante, comme dans l’imagerie radar, le magnétron a donc une utilité limitée. Dans les applications où la délivrance d’énergie est plus importante que la monochromaticité, comme dans un four de cuisine, le magnétron est idéal.

Alors, comment les micro-ondes dans un four chauffent-elles les aliments si elles ne sont pas accordées sur une fréquence de résonance spécifique de l’eau ? Elles chauffent les aliments par simple chauffage diélectrique. Dans le chauffage diélectrique, le champ électrique de l’onde électromagnétique exerce une force sur les molécules de l’aliment, ce qui les fait tourner afin de s’aligner avec le champ. En raison de ce mouvement de rotation, les molécules entrent en collision les unes avec les autres et convertissent leur mouvement de rotation quelque peu ordonné en un mouvement désordonné, que nous appelons macroscopiquement chaleur. De nombreux types de molécules dans les aliments absorbent l’énergie des micro-ondes de cette manière, et pas seulement les molécules d’eau.

Le livre Electromagnetics Explained, de Ron Schmitt déclare:

Il existe un mythe populaire qui explique que les fours à micro-ondes fonctionnent à une résonance spéciale des molécules d’eau. En réalité, ce mythe n’est que cela, un mythe. En vous référant à la figure 15.2, vous pouvez constater qu’il n’y a pas de résonance de l’eau à cette fréquence. Le premier pic de résonance se produit au-dessus de 1THz, et la perte la plus élevée se produit bien dans l’infrarouge. Il n’y a pas de signification particulière de la fréquence de 2,45 GHz, si ce n’est qu’elle est attribuée par la FCC comme étant autorisée pour l’utilisation des fours à micro-ondes.

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