Les fours à micro-ondes

Comment les ondes chauffent-elles les aliments ?

 

Afin de répondre à cette question, plus complexe qu'elle en a l'air, nous avons réalisé l'expérience suivante (vous pouvez la retrouver dans le dernier onglet, où le protocole expérimental est détaillé) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Au vu de nos résulats, nous en déduisons que ce ne sont pas les ondes elles-mêmes qui chauffent les aliments mais bien leur action sur les molécules d'eau contenues dans les aliments.

 

Avant toute chose, nous nous devons de définir la molécule d'eau (figure 1). 

Elle se compose de deux atomes d'hydrogène reliés à un atome d'oxygène par des électrons mis en commun (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. 

 

 

         Figure 1

La molécule se comporte électriquement comme deux charges de signes opposés très proches que l'on appelle dipôle. En l'absence d'une influence électrique l'orientation de ces dipôles est aléatoire et globalement aucune charge ne se distingue. Quand elle est placée dans un champ électrique, la molécule d'eau bouge et s'aligne dans la direction du champ (figure 2).

Une simple expérience peut faire comprendre ce phénomène : frottez une paille en plastique avec un mouchoir en papier (cela la charge électriquement et crée un champ électrique autour), approchez la d'un mince filet d'eau coulant du robinet, sans toucher l'eau illustré sur la photo ci-dessous.

         

                                                                                                       

 

 

 

                                                                                    Le filet d'eau est dévié. Donc l'eau est sensible au champ électrique !

 

 

 

 

                           

                                           Figure 2

 

En présence d’un champ électromagnétique, les molécules d'eau ont tendance à s’orienter en

fonction de leur charge dans la direction de ce champ (figure 3). Or, comme dit précédemment

les champs (magnétique et électrique) qui constituent le rayonnement du four à

micro-ondes changent de sens à un rythme extrêmement élevé (fréquence : 2,450

GHz). Les dipôles vont avoir tendance à suivre les changements de sens du champ

électrique . Mais chaque fois que le champ électrique fait tourner une molécule, il

lui donne de l'énergie qu'elle perd en se cognant avec les molécules voisines.

L'énergie fournie est d'autant plus grande que le champ électrique est grand et que

les inversions de sens sont plus nombreuses. Ce sont ces chocs avec les molécules

voisines qui correspondent à une augmentation de l'agitation thermique et donc

de la température des denrées alimentaires. La chaleur est donc générée par la

friction des molécules entre-elles.                                                                                              

                                                                                                                                                 

                                                                                                                          Figure 3

 

 

Le choix de la fréquence des ondes pour le four micro-ondes ressort d'un juste compromis entre réchauffement de l'aliment et pénétration dans celui-ci. De plus, les ingénieurs ont choisi la fréquence de 2,450 GHz car c’est celle qui correspondait le mieux pour la molécule d’eau (c’est-à-dire pour la molécule présente dans presque tous les aliments). En effet, à cette fréquence la molécule d’eau est la seule à « vibrer ».

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 (figure 4). L’action thermique directe est très intense en surface et dans les premières couches mais diminue progressivement avec l’épaisseur comme en témoigne le schéma ci-contre. 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. C'est pour cela qu'il y a un plateau tournant. De plus, les ondes étant réfléchies contre les parois, les aliments sont atteints en différents endroits, la distribution des ondes est plus homogène.

                            

                               Figure 4 

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.