L'essentiel à connaître
Ton micro-ondes chauffe un plat en y envoyant des ondes électromagnétiques de fréquence 2,45 GHz, produites par un tube électronique appelé magnétron. L'eau de l'aliment absorbe ces ondes : ses molécules tournent sans arrêt pour suivre le champ électrique de l'onde, qui les tire dans un sens puis dans l'autre 2,45 milliards de fois par seconde. En se frottant les unes aux autres, elles font monter la température (Santé Canada). Exemple : des légumes frais, riches en eau, cuisent plus vite que bien d'autres aliments (FDA).
Définition : Une molécule est polaire quand ses charges électriques sont mal réparties : un côté est légèrement positif, l'autre légèrement négatif, alors que la molécule reste neutre dans son ensemble. La molécule d'eau $\text{H}_2\text{O}$ est polaire.
Chaque matière réagit à sa façon : le métal réfléchit les micro-ondes ; le verre, le papier et le plastique les laissent passer ; les aliments les absorbent (FDA). Les parois du four sont donc en métal, pour que les ondes rebondissent jusqu'au plat. La grille métallique de la porte, aux trous bien plus petits que la longueur d'onde des micro-ondes, les arrête mais laisse passer la lumière.
Ces ondes sont de la même famille que la lumière, avec une fréquence bien plus basse : leur longueur d'onde dans l'air vaut environ 12 cm, contre moins d'un micromètre pour la lumière visible. Dans la cavité, les ondes renvoyées par les parois se superposent : à certains endroits fixes elles s'additionnent, ailleurs elles s'annulent presque. Le plat chauffe donc par zones, et le plateau tournant le promène de l'une à l'autre.
Dans un aliment épais, les ondes chauffent surtout les couches extérieures ; le cœur chauffe ensuite par conduction, la chaleur passant de proche en proche (FDA). Enfin, ces ondes sont non ionisantes : leurs photons, les « grains » d'énergie qui forment l'onde, n'ont pas assez d'énergie pour arracher un électron à un atome, et l'aliment ne devient pas radioactif (FDA).
Formule : $\lambda = \dfrac{c}{f}$ (longueur d'onde en mètres) et $E = h\,f$ (énergie d'un photon en joules), avec $f$ en hertz, $c = 3,00\times10^{8}\ \text{m/s}$ et $h = 6,63\times10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}$. Attention aux préfixes : $1\ \text{GHz} = 10^{9}\ \text{Hz}$.
Piège classique : un récipient brûlant n'a pas forcément absorbé les ondes. Un bol en verre chauffe surtout au contact de l'aliment chaud, donc par conduction.
Quiz : teste tes connaissances
Les questions montent en difficulté : les trois dernières sont les plus piégeuses.
Question 1 : De quelle nature sont les micro-ondes produites par ton four ?
Réponse : B. Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques, comme les ondes radio et la lumière visible (FDA) : elles se propagent même dans le vide. Le piège A confond haute fréquence et son : un son a besoin de matière pour se propager.
Question 2 : Quel composant du four produit les micro-ondes ?
Réponse : D. Le magnétron est un tube électronique qui transforme l'énergie électrique en micro-ondes (FDA). Le piège A vient du four classique : sa résistance chauffe l'air, qui chauffe ensuite le plat.
Question 3 : Quelle est la fréquence des ondes dans un micro-ondes domestique ?
Réponse : A. Les fours domestiques travaillent à 2,45 GHz, une fréquence attribuée au niveau mondial pour ne pas brouiller les télécommunications (Universalis). Le piège B, 50 Hz, est la fréquence du courant du secteur qui alimente le four, pas celle de ses ondes.
Question 4 : Pourquoi les parois intérieures du four sont-elles en métal ?
Réponse : C. Le métal réfléchit les micro-ondes (FDA) : elles rebondissent sur les parois jusqu'à être absorbées par l'aliment. Le piège A inverse les rôles : c'est l'aliment qui absorbe les ondes, pas le métal.
Question 5 : Pourquoi la molécule d'eau se met-elle à tourner dans le four ?
Réponse : A. La molécule d'eau a un côté légèrement positif et un côté légèrement négatif : elle s'oriente dans le champ électrique, qui oscille sans arrêt, donc elle tourne sans arrêt. Le piège B confond polaire et chargée : la molécule d'eau est neutre dans son ensemble.
Question 6 : Des légumes frais cuisent plus vite au micro-ondes que bien d'autres aliments. Pourquoi ?
Réponse : D. C'est l'eau qui capte l'énergie des micro-ondes : un aliment riche en eau chauffe vite (FDA). Le piège B confond avec la lumière : la couleur dit quelle lumière visible un objet absorbe, pas ce qu'il fait des micro-ondes.
Question 7 : Calcule la longueur d'onde dans l'air des ondes du four. Données : $f = 2,45\ \text{GHz}$ et $c = 3,00\times10^{8}\ \text{m/s}$.
Réponse : B. $\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3,00\times10^{8}}{2,45\times10^{9}} \approx 0,122\ \text{m}$, soit 12,2 cm. Le piège A vient d'un préfixe mal converti : giga vaut $10^{9}$, pas $10^{6}$ (méga). Le C vient de la formule retournée, $\dfrac{f}{c}$.
Question 8 : Sans plateau tournant, un plat chauffe par taches : brûlant ici, froid juste à côté. Pourquoi ?
Réponse : C. Les ondes renvoyées par les parois se superposent : ce sont des interférences, avec des zones fixes fortes et faibles, que le plateau fait traverser au plat. Le piège A est faux : en rebondissant sur les parois, les ondes remplissent toute la cavité.
Question 9 : Quelle est l'énergie d'un photon de micro-onde ? Données : $f = 2,45\ \text{GHz}$ et $h = 6,63\times10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}$.
Réponse : D. $E = h\,f = 6,63\times10^{-34}\times2,45\times10^{9} \approx 1,62\times10^{-24}\ \text{J}$. C'est plus de 100 000 fois moins qu'un photon de lumière visible, alors que la lumière visible n'est déjà pas ionisante (FDA). Le piège A oublie le préfixe : $f$ doit être en hertz, donc $2,45\times10^{9}\ \text{Hz}$.
Question 10 : Tu réchauffes un gros morceau de viande au micro-ondes. Comment chauffe-t-il ?
Réponse : A. Dans un aliment épais, les ondes chauffent surtout les couches extérieures, et le cœur chauffe surtout par conduction depuis ces couches (FDA). Le piège B, « le micro-ondes chauffe de l'intérieur », est une idée reçue : les ondes sont en grande partie absorbées avant d'atteindre le cœur.
Question 11 : Tu sors du micro-ondes un bol de soupe en verre : il est brûlant. Pourquoi ?
Réponse : C. Le verre laisse passer les micro-ondes (FDA) : c'est la soupe qui chauffe, puis elle cède sa chaleur au bol par contact, donc par conduction. Le piège A tire une conclusion fausse d'une observation juste : un récipient chaud n'a pas forcément absorbé les ondes.
Question 12 : La grille métallique de la porte arrête les micro-ondes, et pourtant tu vois ton plat. Pourquoi ?
Réponse : B. Les trous de la grille sont bien plus petits que les 12 cm de longueur d'onde des micro-ondes, qui ne passent pas ; la lumière visible, de longueur d'onde inférieure au micromètre, passe sans peine. Le piège A inverse l'échelle : la lumière a une fréquence bien plus élevée (plusieurs $10^{14}\ \text{Hz}$), donc des photons plus énergétiques, ce qui élimine aussi D.
Sources
- FDA (agence fédérale américaine des aliments et des médicaments), « Microwave Ovens », en anglais : magnétron, métal, verre, chauffe des couches extérieures, rayonnement non ionisant.
- Santé Canada, « Fours à micro-ondes » : rotation des molécules d'eau, aliments non radioactifs.
- Encyclopædia Universalis, article « Micro-ondes » : fréquence de 2 450 MHz attribuée au niveau mondial.