Le four à micro-ondes domestique
Le four à micro-ondes, ce mode de cuisson vedette des années 1980 n’a pas pour ancêtre le four à bois du boulanger ou le four à gaz popularisé par la ménagère des années 1950. Bien au contraire ! Il plonge ces racines dans l’un des plus grands secrets militaires de la Seconde Guerre mondiale. Il est un pur produit des recherches sur... les radars !
La technologie des micro-ondes a réellement démarré dans les années 1930, sous l’impulsion d’un groupe de chercheurs britanniques dirigés par les professeurs Boot et Randall. En 1939, ils mettent au point le " magnétron ", un appareil de grande taille capable de produire des ondes ultracourtes (sans trop comprendre pourquoi au début, le phénomène leur paraît même surprenant...). Toutefois, son intérêt dans la lutte antiaérienne favorise son développement.
Dans le cadre de l’effort de guerre, les Etats-Unis reprennent largement la technique par l’intermédiaire de la société d’armement Raytheon Corp.. De nombreuses innovations sont réalisées de manière à rendre le tube émetteur plus performant. Ces améliorations seront d’une aide précieuse pour les Alliés dans ce qui fut la bataille d’Angleterre.
Jusque là, on ne se doute pas que le magnétron va se métamorphoser en appareil culinaire... Sur ce plan, tout commence à Waltham, dans le Massachusetts. C’est dans les nouveaux hangars de la société Raytheon que l’histoire du four à micro-ondes va commencer. Une poignée d’ingénieurs conduits par Percy Spencer a pour mission d’améliorer la qualité des radars, car les premiers magnétrons sont loin de fonctionner de façon continue. Ils émettent par pulsations, ce qui bride leur efficacité. Mais ils présentent quand même un immense mérite, en cette période de privation : réchauffer les doigts engourdis par le froid du matin. Pendant qu’ils testent les nouveaux tubes sans aucune protection, certains techniciens font même chauffer leurs bouillons ou leurs casse-croûte de la mi-journée.
Au travers de ce qui devient à la fois une nécessité et un jeu, une démarche s’enclenche. L’équipe s’amuse à faire cuire des saucisses, des côtes de porc et... des œufs, qui, bien entendu, explosent. La cuisson aux micro-ondes est inventée. Le résultat est d’autant plus convaincant lorsqu’un des ingénieurs de l’équipe met au point un magnétron à effet continu.
Sa mise au point et sa commercialisation, en revanche s’avéreront autrement corsées. Charlie Adams, président de Raytheon, ne s’y intéressera vraiment qu’une fois l’effort de guerre terminé, lorsqu’il s’agira de trouver de nouveaux débouchés. Un brevet pour la cuisson est déposé en en 1949, et un premier four diffusé en 1953, sous la marque Radarange. Mais le succès n’est pas encore acquis. Le magnétron reste un appareil lourd et très encombrant. Il nécessite un énorme circuit de refroidissement qui en fait en plus un produit coûteux (l’équivalent d’une automobile). Durant les douze premières années de son existence, ce four ne sera pas diffusé à plus de 1000 exemplaires ! La plupart sont vendus à de grands restaurants ou à des compagnies de transports. Le plus gros client est la compagnie de chemins de fer japonais.
Pour Raytheon, le Radarange apparaît plutôt comme un gouffre financier. Pourtant, la firme pilier du complexe militaro-industriel s’entête à développer coûte que coûte son nouveau produit. Pour en faire un produit de consommation courante, il faut abaisser notablement son prix et le rendre plus pratique, en supprimant, entre autres, le système de refroidissement. Ce qui suppose de repenser toute la technologie. En effet, les travaux sur les radars ont toujours consisté à limiter au maximum les pertes d’énergie, quel qu’en soit le coût. En matière de cuisine, il faut seulement les optimiser et obtenir le prix le plus bas. C’est une nouvelle équipe, dirigée par l’ingénieur Keishi Ogura, venu de la NJRC (New Japan Radio Corporation, entreprise dont Raytheon a pris le contrôle pour aboutir à un magnétron de cuisine), qui va réaliser ce compromis.
Par ce biais, les Japonais prennent conscience du marché prometteur du produit, juste au moment où celui des surgelés décolle. Avec pour seul défi de réaliser un appareil strictement domestique, la technologie américaine du magnétron de cuisine est totalement dépassée par NJRC. Mais Toshiba et Sanyo feront encore mieux. En deux petites années, ils réaliseront un produit plus performant, coiffant sur le fil Raytheon, alliée à NJRC.
D’un point de vue très extérieur, un four à micro-onde fonctionne comme ci-dessous :
Ä L’énergie électrique, sous la forme d’une tension alternative (haute et basse tension) est transformée en tension continue par l’intermédiaire d’un transformateur, de diodes et de capacités.
Ä Un Magnétron (ci-contre) utilise cette énergie et génère des ondes à une fréquence de 2,45 Ghz.
Ä Les micro-ondes sont acheminées par une antenne jusqu’à un guide d’onde qui les dirige sur un appareil appelé brasseur d’ondes (figures suivantes) dont le rôle est de répartir le rayonnement dans la cavité du four. Il s’agit tout simplement d’une pale métallique qui tourne en haut du four, à la sortie du guide d’onde. Ce mécanisme, couplé à un plateau tournant, permet d’obtenir une bonne utilisation de l’énergie rayonnée.
Guide d’ondes |
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Ä Les ondes se réfléchissent sur les parois métalliques du four et sont absorbées par les molécules de l’aliment à cuire.
Mais comment cuit un four à micro-onde ?
Les micro-ondes sont un rayonnement électromagnétique qui peut être transmis, réfléchis ou absorbé par un matériau suivant ses propriétés. Le four à micro-ondes utilise ces trois processus pour cuire un aliment.
La chaleur est due au mouvement des molécules auxquelles on transfère de l’énergie de trois manières différentes :
Conduction : Il y a conduction quand le contact entre une source chaude (un brûleur à gaz par exemple) et l’aliment est direct (éventuellement par l’intermédiaire d’une poêle !).
Convection : Il y a convection lorsqu’un courant d’air chaud circule à l’intérieur de la cavité du four. Quand l’air entourant l’aliment s’échauffe, la chaleur est transférée aux premières couches de l’aliment puis par conduction à l’intérieur de la nourriture.
Radiation : Il y a radiation lorsque les ondes électromagnétiques rayonnent dans la cavité. Dans ce cas, l’échauffement est causé par les vibrations des molécules d’eau contenues dans l’aliment.
Pour assurer une bonne répartition de l’échauffement, la partie inférieure du four à micro-ondes est équipée d’un plateau tournant à faible vitesse sur lequel on place la préparation.
Une minuterie mécanique ou électronique, précise à la seconde près, permet l’affichage du temps de cuisson et l’arrêt instantané du four à la fin de celui-ci, généralement accompagné d’une sonnerie.
La plupart des appareils comportent un bouton de sélection de la puissance relié à un doseur d’énergie fonctionnant en tout ou rien.
A titre d’exemple, voici le schéma descriptif d’un four à micro-ondes ordinaire :
1: Dispositif de verrouillage de sécurité.
2: Hublot de la porte : il permet de surveiller la cuisson. Ce hublot est conçu de manière à laisser passer la lumière mais pas les micro-ondes.
3: Crochet de fermeture : lorsque la porte est fermée, il se verrouille automatiquement. Si la porte est ouverte alors que le four est en marche, le four s’arrête automatiquement.
4: Cavité du four.
5: Joint de porte : le joint de la porte maintient l’énergie des micro-ondes à l’intérieur de la cavité et empêche toute fuite.
6: Plateau tournant : en verre spécial résistant à la chaleur. Les récipients doivent être dans un récipient adéquat et placés sur ce plateau pour la cuisson.
7: Entraîneur : il doit toujours être en place pendant la cuisson, ainsi que le plateau tournant.
8: Prisme de l’entraîneur : il se place au centre du plancher du four. Il doit toujours être en place, pour toute cuisson.
9: Bouton de sélection de la puissance du micro-ondes.
10: Bouton de minuterie : permet de choisir le temps de cuisson pour toute fonction.
11: Bouton d’ouverture de la porte : lorsqu’on appuie sur ce bouton, le loquet coupe le four avant que la porte ne s’ouvre.
Les fours peuvent être utilisés seulement pour le réchauffage ou la décongélation mais ils peuvent aussi assurer la cuisson des aliments. Dans ce dernier cas, on améliore sensiblement l’aspect des produits en équipant le four d’un élément rayonnant pour le grill, le dorage ou le gratinage (1000 à 1700 W).
Pour donner encore plus de souplesse de fonctionnement, certains constructeurs ont imaginé d’équiper les fours d’un élément de cuisson à chaleur tournante (1500 W avec une turbine de 800 L/min.).
Enfin, l’électronique est largement mise à contribution pour la sécurité et une meilleure conduite des opérations culinaires. Outre la minuterie, plusieurs modèles proposent :
Ces diverses dispositions permettent de profiter pleinement des avantages des fours à micro-ondes :
D’après la description précédente, la chaleur est produite directement à l’intérieur de l’aliment à cuire. Néanmoins, la profondeur de pénétration des ondes est de l’ordre de 5 cm. Il est donc faux de croire qu’un four à micro-onde chauffe l’aliment par l’intérieur qui n’est chauffé que par conduction. Mais le processus n’en reste pas moins plus rapide qu’un four conventionnel.
La plupart des objets métalliques doivent être exclu du four à micro-ondes car des coins anguleux et pointus peuvent créer des gradients importants du champ électrique et donner lieu à des arc électriques. Néanmoins, des objets métalliques spéciaux pour micro-ondes existent, ils ont des coins bien arrondis et ne causent donc pas de décharges électriques à l’intérieur du four. D’ailleurs, certains aliments prêt à cuire sont vendus dans des emballages métalliques étudiés pour accélérer la cuisson par conduction sans endommager le four.
La Food and Drug Administration des Etats-Unis est d’accord pour dire qu’un four à micro-ondes ne détruit pas plus les vitamines et les protéines contenus dans les aliments qu’un four conventionnel.
Le rayonnement lui-même n’est pas ionisant et donc beaucoup moins dangereux que les rayons X ou gamma par exemple. De plus, pour les constructeurs, les tolérances de fuite au niveau de la porte sont très strictes et un interrupteur relié à la porte empêche le fonctionnement du four si la porte est ouverte. Néanmoins, si le joint de porte est usé, si votre micro-onde est tombé par terre ou si un aliment a pris feu à l’intérieur, il est préférable de le faire réparer ou d’en acheter un autre.
Il apparaît des points chauds dans un aliment s’il n’est pas homogène ou si le chauffage n’a pas été homogène. Il est alors préférable d’attendre 30 secondes dans le cas d’un biberon de lait pour nourrisson, avant de tester la température sur le dos de la main et de commencer le repas si l’on veut éviter une brûlure.
- Penser à percer la peau des tomates, saucisses, ... ou la coquille des œufs afin de permettre l’évacuation de la vapeur d’eau, qui sinon, conduirait à l’explosion de l’aliment. De même, penser à percer le jaune d’un œuf.
- N’utiliser jamais de papier pour faire cuire des pop-corn par exemple, il pourrait brûler.
- Ne faîtes jamais fonctionner un four à vide.
Le magnétron est un tube à symétrie circulaire. Il est constitué d’une anode cylindrique creuse, dans l’axe de laquelle se trouve une cathode à chauffage direct ou indirect. Dans le cas du chauffage indirect, un filament hélicoïdal, généralement en tungstène au thorium, s’enroule autour de la cathode.
La distance séparant anode et cathode détermine l’espace d’interaction, qui se trouve sous un vide très poussé. Le bloc anodique est intérieurement creusé de cavités, les cavités résonnantes, qui peuvent affecter des formes diverses suivant le type de magnétron.
Extérieurement, une sortie de type coaxial permet de coupler le magnétron au circuit, et le bloc anodique est muni d’un système de refroidissement par ailettes ou par circulation d’eau (fortes puissances).
Enfin, des aimants permanents sont fixés, transversalement par rapport à l’axe du tube, en haut et en bas du bloc anodique. Ces aimants permanents sont parfois remplacés par un électro-aimant.
On applique entre anode et cathode un champ électrique continu. Ce champ correspond couramment à une tension de l’ordre de plusieurs kilovolts, pour une distance inter-électrodes de quelques millimètres. Les aimants créent, d’autre part, un champ magnétique parallèle à l’axe, d’où l’appellation de tube à champs croisés.
Les électrons quittent la cathode et sont accélérés par le champ continu. En l’absence de champ magnétique, ils iraient vers l’anode en suivant des trajectoires radiales. Le champ magnétique incurve ces trajectoires, qui prennent alors l’allure de cycloïdes.
En effet, chaque électron de charge q et animé d’une vitesse
v est soumis à deux forces : 
On définit une valeur critique 
de l’induction magnétique, reliée à la tension appliquée
par :
où a et b sont les rayons respectifs de la cathode et de l’anode, e et m la charge et la masse de l’électron au repos (e=1,6021.10-19 C, m=1,6748.10-27 kg), soit :
Au-delà de cette valeur 
,
les électrons ne peuvent plus atteindre l’anode, et forment
un nuage de charge d’espace tournant dans l’espace d’interaction, d’autant
plus près de la cathode que B est plus élevé.
Le nuage électronique évoluant dans l’espace inter-électrodes entre en interaction avec les cavités résonnantes du bloc anodique, qui deviennent le support d’oscillations électromagnétiques. En effet, une cavité est, en radiofréquence, l’équivalent du circuit résonant LC en basse fréquence : sa paroi constitue la composante inductive et son entrée, la composante capacitive.
Les dimensions des cavités résonantes sont calculées de telle façon à leur donner une fréquence de résonance égale à la fréquence allouée, avec une certaine marge de tolérance (2450 MHz ± 25 MHz pour les fours domestiques).
L’interaction entre les électrons et les cavités est assez complexe : les électrons passant au large d’une cavité subissent une accélération ou un ralentissement suivant le sens du champ radiofréquence local au moment de leur passage. Les électrons accélérés empruntent de l’énergie au champ RF et l’utilisent pour remonter vers la cathode, qu’ils percutent, contribuant ainsi à son chauffage et expulsant des électrons secondaires. Les électrons ralentis cèdent de l’énergie au champ RF, et poursuivent leur course vers l’anode.
Pour des valeurs convenables des champs électrique et magnétique
appliqués, il s’établit un régime permanent,
dans lequel les électrons se regroupent en nuages ayant l’allure
des rayons d’une roue, qui tournent dans l’espace d’interaction en passant
devant une cavité résonante dans le temps d’une alternance
RF. On appelle mode 
ce mode fondamental de fonctionnement.
En moyenne, il faut au champ RF moins d’énergie pour renvoyer un électron vers la cathode qu’il n’en récupère d’un autre électron perdant son énergie cinétique en tombant sur l’anode. Le processus est donc stable globalement, et les oscillations RF s’auto-entretiennent dans les cavités résonnantes.
On extrait une partie de la puissance RF ainsi engendrée au moyen de divers systèmes de couplage, et on l’envoie sur la sortie coaxiale du magnétron pour la transmettre dans la cavité du four.
On caractérise un magnétron par son diagramme de fonctionnement, qui porte en abscisse le courant d’anode, en ordonnées la tension d’anode, et sur lequel on trace d’égale valeur du champ magnétique, de la puissance de sortie, et du rendement. La figure suivante montre que, pour le magnétron considéré, on obtiendra 5kW RF avec un rendement de 58 % si la tension et le courant d’anode sont de 6,1 kV et 1,42 A, avec une induction magnétique de 0,163 T.
Le magnétron offre un rendement de l’ordre de 60 à 65 %. La puissance perdue sert au chauffage de la cathode ou se dissipe par effet Joule dans l’anode. On l’évacue au moyen de radiateurs à ailettes ou d’un circuit de refroidissement à circulation d’eau.
Il existe une limitation technologique à la puissance que peut délivrer un tube fonctionnant à une certaine fréquence. Plus cette fréquence est basse et plus les puissances disponibles sont élevées. Aux fréquences industrielles de 2,45 GHz et 915 MHz, on dispose respectivement de magnétrons de 6 et 30 kW.
Ceci explique le fait que des fréquences plus élevées, par exemple les bandes allouées de 5,8 et de 22,125 GHz, soient difficilement exploitables dans le cadre d’applications industrielles, en même temps que l’intérêt que peut susciter la bande de 434 MHz attribuée aux applications énergétiques par la dernière Conférence Administrative Mondiale des Radiocommunications.
L’applicateur est le dispositif dans lequel on place l’aliment à chauffer, c’est à dire la cavité du four, dont le but est d’assurer une meilleure répartition possible de l’énergie électromagnétique provenant du générateur. La conception d’un applicateur dépend de la nature, de la forme et des dimensions des matériaux à traiter; elle dépend en outre de la fréquence (2.45 Ghz, ici), de la puissance à délivrer et de la nature continue, semi-continue ou statique du processus de chauffage (différentes puissances de chauffe).
Il n’existe pas de règle absolue en la matière, si ce n’est le respect des lois de l’électromagnétisme et des contraintes spécifiques du matériau à traiter. Il apparaît plusieurs problèmes majeurs qui sont énumérés et décrits par la suite.
(voir aussi la partie industrielle...)
L’adaptation consiste à rendre l’onde réfléchie par la charge (l’aliment à traiter) aussi faible que possible. L’important est ce que " voit " le Magnétron, et c’est l’ensemble de la ligne qui doit être adaptée, et non ses éléments séparés.
Les principaux moyens d’adaptation sont le recours à des éléments capacitifs ou inductifs (vis, piliers, iris) placés en certains endroits de la ligne, l’utilisation de pistons mobiles de court-circuit terminant le guide côté antenne, et, parfois, côté Magnétron, l’adjonction de pièces métalliques dans la cavité. Toutefois, ces divers moyens ne constituent que des règles à posteriori, qui ne permettent guère de remédier à une éventuelle faute de conception au départ.
En outre, il ne suffit pas d’obtenir une bonne adaptation à la fréquence théorique d’émission : les générateurs présentent en effet une certaine dispersion en fréquence et c’est donc sur toute la bande de tolérance que doit être réalisée l’adaptation.
Une cavité résonante présentant des maxima du champ et des points ou celui-ci s’annule, il existe de forts gradients qui risquent de brûler localement l’aliment. L’applicateur étant statique dans un four à micro-ondes (pas de défilement linéaire du produit à chauffer), l’uniformité du champ doit être la meilleure possible dans les trois directions.
Les solutions classiques consistent à utiliser des hélices métalliques (brasseur d’ondes) ou des plateaux tournants dont on a déjà parlé. Le but recherché est d’obtenir une homogénéité statistique, en mettant en mouvement le produit ou en modifiant cycliquement la répartition d’énergie dans la cavité. Il existe néanmoins des méthodes de cartographie électromagnétique qui permettent de résoudre ces problèmes, mais cela dépasse le cadre de l’étude du four à micro-ondes domestique.
Pour des raisons liées aux risques de brouillage électromagnétique et aux risques biologiques, le niveau de fuite des applicateurs ne doit pas dépasser certaines normes. Le cas du four à micro-ondes (applicateur statique) est assez simple à résoudre. Le problème se ramène au blindage de la porte avec le système de verrouillage du four à l’ouverture, un hublot d’observation blindé (verre armé, grillage à mailles fins).
L’environnement est rarement paisible. Les fours à micro-ondes doivent donc être conçus pour subir des agressions diverses, dont les plus courantes sont la poussière (caissons étanches), l’humidité (étanchéité), la salinité ou l’acidité (emploi d’acier inoxydable et de matières plastiques neutres), la chaleur et le froid (climatisation), les chocs et les vibrations (amortisseurs), les mauvais traitements (robustesse de la construction) et les fausses manoeuvres (sécurités sur toutes les parties fragiles).
La mise au point des applicateurs doit concilier des exigences sévères et une bonne durée de vie des tubes avec une répartition efficace de l’énergie. De plus, il ne faut pas négliger la santé des utilisateurs. Ces contraintes obligent néanmoins les industriels à innover en permanence