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À la maison · Pièce 6

Comment fonctionne un micro-ondes ?

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Un micro-ondes, c’est une boîte en métal avec un émetteur radio, le magnétron, fixé sur le côté. L’émetteur remplit la boîte d’ondes qui font pivoter dans un sens puis dans l’autre les molécules d’eau des aliments, et c’est ce va-et-vient qui chauffe. Les ondes rebondissent sur les parois et s’empilent en un motif qui ne bouge pas. Certains endroits de la boîte reçoivent beaucoup d’énergie, d’autres presque rien. Voilà pourquoi une bouchée de restes brûle la langue quand la suivante est encore froide, et pourquoi le plateau tourne : il promène les aliments à travers ces zones, sans tout égaliser pour autant. Le centre exact, lui, ne bouge jamais, d’où le conseil de remuer à mi-cuisson.

Ci-dessous, le fond du four vu d’en haut. Tirez sur le bord du plateau pour le faire tourner.

Une boîte type de 30 × 31 cm et 20 cm de haut, et non un four précis, vue d’en haut à la hauteur des aliments. Le motif est calculé à partir des dimensions de la boîte, il n’est pas dessiné à la main : entre 2 400 et 2 500 MHz, 11 ondes stationnaires y tiennent, et dans une boîte plus basse d’un centimètre, seulement 8. Le bouton « En rotation » laisse faire le moteur ; les boutons du dessous choisissent combien d’ondes stationnaires sont allumées en même temps, et « D’autres ondes » en prend une autre combinaison au hasard.

Comment fonctionne un micro-ondes, étape par étape :

  1. Un tube appelé magnétron transforme l’électricité en ondes radio de 2 450 MHz (2,45 GHz).
  2. Les ondes rebondissent sur le métal et s’additionnent en zones fortes et en zones faibles.
  3. L’eau des aliments essaie de tourner avec le champ, et ce va-et-vient produit de la chaleur.
  4. Un aliment dans une zone forte chauffe ; dans une zone faible, il reste froid, sauf s’il bouge.

Pourquoi le micro-ondes chauffe-t-il de façon inégale ?

Imaginez une corde à sauter que deux personnes agitent aux deux bouts, au bon rythme. Certains points de la corde balancent beaucoup, d’autres presque pas, et le dessin reste en place : c’est une onde stationnaire. Les ondes qui rebondissent entre les parois du four font la même chose en trois dimensions. Là où les rebonds arrivent en cadence, ils s’additionnent et le champ oscille fort : c’est un point chaud. À mi-chemin entre deux points chauds, ils s’annulent, et l’aliment reste froid.

Comment le micro-ondes chauffe-t-il les aliments ?

Le champ oscille 2,45 milliards de fois par seconde. Une molécule d’eau est un peu positive d’un côté et un peu négative de l’autre, alors le champ essaie de la retourner sans arrêt. Dans l’eau liquide, chaque molécule est accrochée à ses voisines et suit mal le mouvement. Elle prend du retard, bouscule celles qui l’entourent, et cette bousculade, c’est de la chaleur.

Le micro-ondes chauffe-t-il l’eau à sa fréquence de résonance ?

On le lit souvent, et c’est faux. Les 2 450 MHz n’ont rien à voir avec les aliments. C’est l’une des fréquences que la réglementation américaine prévoit pour les appareils de chauffage, avec une marge de 50 MHz, et l’eau n’a pas de résonance étroite près de cette fréquence. Sa capacité à transformer le champ en chaleur dessine un pic très large, que des physiciens de l’université d’Augsbourg placent vers 20 GHz. Si les fours travaillent bien plus bas, explique Martin Chaplin, de la London South Bank University, c’est « pour que le rayonnement ne soit pas entièrement absorbé par la première couche » (traduit de l’anglais). À 2,45 GHz, dans de l’eau à 25 °C, la puissance pénètre d’environ 1,9 cm avant de tomber au tiers, et les chiffres de Chaplin donnent 1,4 cm. Autrement dit, un à deux centimètres, pas une simple pellicule.

Le micro-ondes chauffe-t-il de l’intérieur ?

Non, selon la FDA, l’agence américaine chargée des aliments. Les ondes arrivent de l’extérieur et perdent de l’énergie en avançant, si bien que les premiers centimètres en prennent la plus grande part. Avec le même modèle, la puissance tombe au tiers à 0,8 cm dans de l’eau à 0 °C, à 1,6 cm à 20 °C et à 2,7 cm à 40 °C. Dans un morceau de viande épais, dit la FDA, l’intérieur cuit surtout grâce à la chaleur que lui transmettent les couches extérieures, comme dans un four ordinaire.

Pourquoi le plateau du micro-ondes tourne-t-il ?

Les points chauds ne bougent pas, donc ce sont les aliments qui doivent passer dessus. Faites tourner le plateau dans la maquette du haut : les taches s’étirent en anneaux.

Le plateau égalise la chaleur le long de chaque cercle, jamais entre le centre et le bord, et le centre exact ne bouge pas. Avec le mélange d’ondes de départ de la maquette, après un tour, le centimètre central reçoit environ 15 % de la chaleur moyenne du plateau, et le centre exact presque rien, quel que soit le nombre de tours. C’est à cela que sert le geste de remuer à mi-cuisson, car la cuillère fait passer les aliments d’un cercle à l’autre. Certains fours n’ont pas de plateau du tout. Je n’ai pas trouvé de source primaire sur la façon dont chaque fabricant y répartit la chaleur, alors je préfère n’en rien dire.

Le micro-ondes tue-t-il les bactéries ?

Seulement là où l’aliment devient assez chaud, assez longtemps, et les zones froides comme celles de la maquette sont justement les endroits où il peut ne pas l’être. Ce ne sont pas les ondes qui tuent les microbes, c’est la chaleur. Le service d’hygiène alimentaire du ministère américain de l’Agriculture (USDA) prévient que le micro-ondes peut cuire de façon inégale et laisser des zones froides (« cold spots » dans le texte anglais) où des bactéries survivent. Il conseille de remuer ou de retourner les aliments à mi-cuisson, de les laisser reposer, ce qui achève la cuisson, puis de vérifier au thermomètre : pour des restes réchauffés, l’USDA recommande 74 °C.

Qui a inventé le micro-ondes ?

Percy Spencer, ingénieur chez Raytheon, qui fabriquait des magnétrons pour les radars pendant la guerre. Son brevet, « Method of treating foodstuffs », a été déposé le 8 octobre 1945 et accordé en 1950. L’histoire de la barre de chocolat qui fond dans sa poche près d’un appareil à micro-ondes vient de récits plus tardifs, comme le wiki d’histoire de l’IEEE, pas du brevet. Ce même wiki la place « vers 1946 », alors que le brevet était déjà déposé. Je la tiens pour une belle histoire plutôt que pour un fait établi.

Mesurer la vitesse de la lumière avec un micro-ondes (et du chocolat)

Retirez tout l’emballage, papier d’aluminium compris, et posez la tablette sur une assiette qui va au micro-ondes. Pour qu’elle ne tourne pas, enlevez le plateau si la notice le permet ; sinon, posez votre assiette sur un bol retourné qui ne touche pas le plateau. Chauffez à faible puissance en surveillant, jusqu’à ce que quelques taches ramollissent, puis arrêtez : le chocolat qui chauffe trop brûle et fume. L’écart entre deux taches voisines vaut à peu près une demi-longueur d’onde. Multipliez-le par deux et par la fréquence de l’étiquette, et vous obtenez la vitesse de la lumière : avec des taches à 6,1 cm, 6,1 cm × 2 × 2 450 MHz donnent environ 3,0 × 10⁸ m/s.

Robert Stauffer, professeur de lycée, a publié l’expérience avec des guimauves en 1997 et raconte que sa classe obtenait souvent moins de 5 % d’erreur. Les étiquettes indiquent 2 450 MHz, et la bande des fours va de 2 400 à 2 500 MHz. Dans un vrai four, les ondes traversent la boîte en biais, ce qui peut allonger l’écart mais jamais le raccourcir. On a donc plutôt tendance à surestimer la vitesse de la lumière.

Pourquoi voit-on à travers la porte sans que les ondes sortent ?

La vitre cache une tôle métallique percée de petits trous. En 1944, Hans Bethe a calculé que, pour un trou bien plus petit que l’onde, la part qui passe s’effondre avec sa taille : deux fois plus petit, il en laisse passer soixante-quatre fois moins. La longueur d’onde du four est de 12,2 cm et les trous font environ 1 mm ; la lumière, d’environ 0,0005 mm, passe sans peine. Un brevet de Matsushita, déposé en 1976, revendique des trous de 1,2 mm au plus, et d’après la formule de Bethe, un tel trou laisserait passer à peu près 1 part sur 4,6 millions de la puissance qui l’atteint, sans compter ce qu’ajoute l’épaisseur de la tôle.

Un seul trou dans un métal parfait, l’onde arrivant de face. La formule de Bethe vaut pour des trous bien plus petits que l’onde : la maquette l’utilise jusqu’à 12 mm et laisse un point d’interrogation entre 12 et environ 72 mm, là où l’onde commence à passer.

Pourquoi le métal fait-il des étincelles au micro-ondes ?

Le métal renvoie les ondes, et la FDA conseille en général de ne mettre au four ni récipient métallique ni papier d’aluminium : la cuisson devient inégale et le four peut s’abîmer. Ce « en général » compte, car si votre four est livré avec une grille en métal, c’est sa notice qui fait foi. Les étincelles naissent sur les arêtes et les pointes. Sur la dent d’une fourchette ou le coin d’une feuille d’aluminium, les charges s’accumulent, et le champ y devient si fort que l’air cesse d’isoler.

Le micro-ondes est-il dangereux pour la santé ?

Ici, « rayonnement » veut dire ondes radio, pas radioactivité. La FDA juge sûrs les fours conformes à sa norme et utilisés selon les instructions du fabricant. À haut niveau, écrit-elle, les micro-ondes peuvent brûler la peau ou provoquer une cataracte, et elle précise que seules de grandes quantités de rayonnement micro-ondes causent ces lésions. Sur une exposition faible, elle reconnaît qu’on en sait moins ; sa page ne parle pas de cancer. D’où l’importance de la porte : un four endommagé peut laisser fuir de l’énergie, et mieux vaut ne pas s’en servir si la porte ferme mal ou est tordue. La réglementation fédérale américaine 21 CFR 1030.10 limite la fuite, mesurée à 5 cm ou plus de la surface, à 1 mW/cm² pour un four neuf et à 5 mW/cm² pour un four usagé, et impose au moins deux verrous qui coupent les micro-ondes dès qu’on relâche le loquet ou qu’on ouvre la porte. Un four conforme et en bon état ne peut donc pas fonctionner porte ouverte, et une fois le magnétron arrêté, il n’émet plus rien. S’il se met en marche porte ouverte, débranchez-le et ne l’utilisez plus. Les fours vendus en Europe suivent leurs propres normes, que je n’ai pas lues. La FDA précise aussi que l’énergie devient de la chaleur dans l’aliment et ne le rend pas radioactif.

Un autre risque est bien signalé par la FDA : de l’eau seule dans une tasse propre peut dépasser 100 °C sans bouillir, puis jaillir d’un coup quand on la bouge. Ajouter d’abord du café soluble ou du sucre réduit beaucoup le risque, et la FDA demande de respecter le temps de chauffe indiqué dans la notice.

Que simplifient les maquettes ?

Sources

Toutes les sources ci-dessous sont en anglais.