Four à micro-ondes

Le vocable « haute fréquence » est souvent employé dans un sens très large qui englobe toute la partie supérieure du spectre électromagnétique située au-delà de quelques mégahertz. Rappelons cependant que la terminologie exacte veut que l'on fasse certaines distinctions. Ainsi de 3 MHz à 30 MHz on a les hautes fréquences proprement dites ; au-dessus de 30 MHz on trouve successivement :

Les très hautes fréquences ou V.H.F. (Very High Frequency) de 30 MHz à 300 MHz.

Les ultra hautes fréquences ou U.H.F. (Ultra High Frequency) de 300 MHz à 3 GHz.

Les fours à micro-ondes fonctionnent dans cette gamme de fréquences dans une bande allant de 2450 MHz à 2483.5 MHz.

Les supers hautes fréquences ou S.H.F. (Super High Frequency) de 3 GHz à 30 GHz

Ces distinctions sont conventionnelles. Le spectre des radiations électromagnétiques que l'on peut rencontrer dans la nature est le suivant :

Les micro-ondes utilisées par les fours sont des ondes d’énergie électromagnétique, similaires aux ondes de radio, de télévision et aux rayonnements lumineux. Dans la classification générale, le spectre de fréquences d’un four à micro-ondes couvre la bande de 300 MHz à 300 GHz. Aujourd’hui, presque tous les fours à micro-ondes fonctionnent à 2450 MHz. Les divers matériaux réagissent différemment aux micro-ondes ; ils peuvent les absorber, les réfléchir ou les laisser passer :

Le spectre électromagnétique s'étend d'une façon continue des fréquences les plus basses, inférieures au hertz jusqu'aux rayons X au-delà du visible. Du point de vue technologique, les transmissions se font en paire bifilaire, puis par câble coaxial lorsque la fréquence croît. Aux hautes fréquences au-dessus de 1000 à 2000 MHz, les pertes dans les câbles coaxiaux devenant prohibitives, il a fallu penser à un autre mode de propagation, le guide d'onde.

Le guide d'onde est un tuyau métallique dans lequel les ondes progressent à l'intérieur par réflexion sur les parois. Ce tuyau doit avoir des dimensions du même ordre de grandeur que celles de la longueur d'onde.

En haute fréquence, dans la région du spectre électromagnétique s'étendant des longueurs d'ondes décimétriques aux millimétriques, la proximité du spectre visible permet d'obtenir des faisceaux étroits et très directifs comme en optique. Ces faisceaux émis par des antennes de faibles dimensions permettent de transporter une grande quantité d'informations en utilisant des puissances relativement faibles. Par contre la longueur d'onde devenant plus faible, les appareils de mesure comme les fréquencemètres deviennent de plus en plus difficiles à réaliser d'où l'intérêt d'avoir recours aux techniques d'optique pour la mesure des fréquences.

Le four est constitué principalement par une cavité dans laquelle on place le matériau à chauffer. Toute matière, et non seulement les aliments, est constituée de molécules inséparables qui possèdent leurs propres caractéristiques. Ces molécules sont influencées par les champs électriques appliqués de l’extérieur. Lorsque les molécules sont polarisées, elles deviennent des dipôles.

Dans certains matériaux, quelques molécules ou toutes les molécules sont déjà des dipôles dans leur état naturel. Par exemple, l’eau est un matériau constitué de dipôles naturels (deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène).

Les molécules des produits alimentaires placés dans le four seront polarisées par les micro-ondes.

Ces dipôles (molécules polarisées) s’alignent dans la direction du champ électrique sous l’effet des forces d’attraction et de répulsion. Comme la polarité du champ électrique change, les molécules du produit alimentaire, sont obligées de changer de direction au même rythme. De ce fait, l’aliment placé dans le four subit un échauffement interne par friction entre les molécules (le frottement à très haute vitesse des molécules entre elles se concrétise par de la chaleur au sein de la matière). Le signal haute fréquence est obtenu à l'aide d'un tube électronique à vide de type diode à vide soumis à un champ d'induction magnétique et utilisé comme oscillateur et amplificateur de puissance ultra haute fréquence. Ce tube électronique est appelé Magnétron.

Dans le cas du four Sanyo modèle EM-N102WS, la fréquence d'oscillation est de 2450 MHz (Magnétron type 2M217J(B)).

La méthode de chauffage aux micro-ondes convient idéalement pour la cuisson des aliments car ils absorbent l’énergie des micro-ondes plus rapidement que les récipients dans lesquels ils sont placés. Les principaux avantages des fours à micro-ondes par rapport aux fours traditionnels sont :

· L’augmentation de la température se fait au sein même de l’aliment et non dans le four

Aliment	Méthode de cuisson
Aliment	Cuisson au micro-ondes mn	Cuisson conventionnelle mn
Rôti de boeuf 1 livre (450 g)	6.5 min (cuisson moyenne)	18-20 min (cuisson moyenne)
Pomme de terre 7 oz (200 g)	7 minutes	40 à 45 minutes

La cavité de cuisson du four est un résonateur à cavité multimode pour les micro-ondes émises par le magnétron. L’acier inoxydable et l’aluminium sont des réflecteurs efficaces des micro-ondes ; on peut donc utiliser l’un ou l’autre de ces matériaux pour garnir les surfaces intérieures du four. Comme les dimensions de la cavité du four sont considérablement plus grandes que la longueur d’onde des micro-ondes, la cavité possède plusieurs modes énergétiques.

L’intensité du champ des micro-ondes le long des parois est très faible, tandis que les ondes stationnaires dans la cavité du four créent des points chauds (pics) et des points froids (amplitude nulle). Un diffuseur à lames, similaire à un ventilateur, constitue le moyen habituellement utilisé pour faire circuler les points d’amplitude maximum (pics) et les points d’amplitude nulle (points froids) de l’énergie des micro-ondes dans la cavité. Le diffuseur à lames est placé à une position adjacente à l’ouverture par laquelle les micro-ondes passent du guide d’ondes à la cavité de cuisson, en provenance du magnétron.

Si on fait fonctionner le four lorsqu’il est vide ou lorsqu’il contient de grands ustensiles métalliques, la plus grande partie de l’énergie des micro-ondes est réfléchie vers le magnétron, où elle se dissipe en chaleur. Cette chaleur excessive peut endommager le magnétron ou réduire sa longévité. Bien que les progrès réalisés dans la conception des magnétrons et des fours réduisent les risques de défaillance catastrophique, on retrouve encore dans les manuels de service destinés aux utilisateurs une recommandation où l’on déconseille l’emploi de grands récipients métalliques, ou de faire fonctionner le four à vide.

La fenêtre d’observation de la porte du four est constituée d’un panneau externe d’un matériau acrylique et d’un panneau interne de verre, séparés par un écran métallique. Cet écran métallique réfléchit les micro-ondes dans la cavité du four, il est perforé pour qu’il soit possible d’observer les aliments à l’intérieur du four. Le diamètre des trous est faible par rapport à la longueur d’onde des micro-ondes, et l’énergie ne peut s’échapper à travers les perforations.

Lorsque les micro-ondes pénètrent l’aliment, leur énergie se dissipe dans chaque couche successive de molécules. C’est ce qu’on appelle “degré de pénétration en profondeur” ; la profondeur de pénétration standard correspond à la profondeur à laquelle l’énergie des micro-ondes a été réduite à 37 % de l’énergie initiale.

Cette profondeur de pénétration est inversement proportionnelle à la fréquence c’est à dire que l’augmentation de la fréquence réduit la profondeur de pénétration.

Les magnétrons fonctionnant à 2450 MHz produisent une profondeur de pénétration de 1 pouce (2.54 cm) dans la viande et 2 à 3 pouces (5 à 7.6 cm) dans les autres aliments. Un rôti ou une volaille qui doit subir une cuisson de 5 minutes ou plus subit un brunissage pendant la cuisson, du fait de cet effet de pénétration. Les graisses superficielles atteignent une température plus élevée que les graisses intérieures, ce qui produit le brunissage de la surface. Ce phénomène permet également d’ajuster le degré de cuisson au centre d’un rôti de boeuf pour produire un rôti saignant, moyen ou bien cuit.

La plupart des aliments ont une perte diélectrique relativement élevée, tandis que les récipients qui contiennent les aliments ont une faible perte diélectrique. C’est la raison de la sélectivité du chauffage qui fait que les matériaux à perte diélectrique élevée (les aliments) absorbent la plus grande partie de l’énergie des micro-ondes, tandis que les matériaux à faible perte diélectrique (les ustensiles) demeurent relativement froids et s’échauffent essentiellement par absorption de la chaleur transmise par les aliments. Comme les molécules de l’eau sont des dipôles naturels, c’est la teneur en eau qui détermine les caractéristiques d’échauffement de la plupart des matières et des aliments.

On peut effectuer rapidement la décongélation des aliments congelés grâce à la pénétration des micro-ondes dans l’aliment. On effectue cette opération dans la plupart des fours en réduisant la puissance des micro-ondes produites par le magnétron. Pour garantir une décongélation complète et uniforme de l’aliment avant la cuisson, la plupart des recettes et guides de cuisson recommandent qu’on laisse l’aliment en attente pendant une période de temps égale à la période d’application de l’énergie. Ceci permet à la chaleur de se distribuer dans l’aliment et de poursuivre la décongélation à l’intérieur avant le commencement du cycle de cuisson.

Le tableau suivant donne une comparaison des périodes de décongélation au four à micro-ondes et par des méthodes conventionnelles :

Aliment	Méthode de décongélation
Aliment	Four à micro-ondes	T^o de la pièce	Réfrigérateur
Poulet congelé 3 Lb	6 minutes 30 sec.	7 heures	11 heures
Épinards 10 Oz	2 minutes	1 heure	3 heures

Le tube magnétron est essentiellement une diode. Sa construction est radicalement différente de celle des diodes conventionnelles ; en effet on lui ajoute un fort champ magnétique parallèle dans l'axe de la cathode.

Avant de parler du magnétron lui-même, considérons l'effet du champ magnétique sur un électron en mouvement avec comme référence la figure suivante :

Si le cylindre de l'anode est positif en égard du cylindre de la cathode, les électrons iront radialement de la cathode à l'anode. Un tel chemin est montré par la ligne A. Maintenant nous additionnons un champ magnétique parallèle dans l'axe du cylindre, les lignes de forces sortons du plan du diagramme. Les points sur le diagramme représentent les têtes des flèches des lignes de force. Les électrons dans leur déplacement radial de la cathode à l'anode coupent ces lignes de force. La force de réaction est produite par le déplacement à angle droit par rapport au chemin originel des électrons.

La combinaison de la force d'attraction radiale de la cathode à l'anode et de la force à angle droit du champ magnétique d'interaction oblige les électrons à suivre des chemins en courbes. Ceci est montré à la figure précédente.

Si le champ magnétique est faible, la courbure est petite et c'est montré par la ligne B, l'électron atteint l'anode. Si le champ magnétique est augmenté à sa valeur critique, l'électron frôle l'anode et retourne à la cathode. Cet effet est montré par la ligne C. Avec un champ magnétique très fort, l'électron n'atteindra jamais l'anode. La force d'interaction magnétique est importante de façon que l'électron retourne rapidement à la cathode. Dans ce cas l'électron se dirige vers l'anode qu'il n'atteindra pas et retourne à un nouveau point de la cathode.

Maintenant regardons pratiquement un magnétron. La figure suivante montre la vue extérieure et la vue en coupe du tube.

L'action conjuguée de la force d'attraction de la plaque et du champ magnétique axial fait que les électrons se déplacent selon des trajectoires courbées.

Les électrons se déplaçant en spirales passant dans les cavités résonantes prennent de l'énergie et des oscillations prennent naissance dans ces cavités (la fréquence des oscillations dépend de la grandeur et de la forme des cavités).

Les principales applications sont le four à micro-ondes, le radar et autres équipements nécessitant des impulsions de basse puissance, haute intensité.

Les magnétrons sont utilisés pour des puissances allant jusqu'à 300 KW et des fréquences allant jusqu'à 30 GHZ.

Nota : En ultra haute fréquence, la cavité résonante est utilisée comme un circuit résonant parallèle LC. La fréquence de résonance est fonction du volume et de la forme de la cavité.

Ø La puissance programmable est la puissance sélectionnée sur le panneau de contrôle. Elle est fixe et sert à la cuisson.

Ø La puissance régressive est la puissance qui sert au dégel des aliments. Elle diminue avec le temps.

3.8. Four à micro-ondes et four à convexion : Le principe des micro-ondes est le frottement des molécules alors que la convexion utilise un élément chauffant où la chaleur est transmise par convexion aux aliments.

Ø Il vous permet de cuire automatiquement vos mets favoris sans avoir à vous préoccuper des temps de cuisson et des niveaux de puissance.

Ø Le senseur détecte les vapeurs et le fumet des aliments durant leur cuisson ou leur réchauffage.

Quand ce senseur olfactif détecte les quantités de fumet et de particules aromatiques programmées par le microprocesseur du four, il calcule automatiquement la durée nécessaire requise pour la cuisson ou le réchauffage demandé.