Micro-ondes : comparez la chauffe et observez le magnétron

Pourquoi les restes sont chauds ici et froids ailleurs

Dans un four à micro-ondes, le composant qui produit les ondes est le magnétron. Il transforme l’énergie électrique en micro-ondes à 2,45 GHz, d’une longueur d’onde de 12,2 cm, qui traversent un guide d’ondes pour arriver dans la cavité de cuisson. Les réflexions sur les parois métalliques créent des zones où le champ est fort et d’autres où il est faible, si bien que les aliments chauffent de façon inégale.

Réchauffez une part de pizza au micro-ondes et mordez dedans. Un coin vous brûle la langue, alors qu’un point au milieu est encore froid comme au sortir du réfrigérateur. Le four n’a ni flamme ni résistance chauffante : d’où vient donc cette chaleur inégale ? La réponse tient en une onde d’environ 12 centimètres de long, qui remplit la boîte métallique et y reste immobile, avec des zones fortes et des zones faibles qui ne changent pas de place.

Le modèle ci-dessus est un four à micro-ondes de table à taille réelle. Au démarrage, la porte se ferme, le dessus devient transparent et le four s’allume : des points lumineux sortent du guide d’ondes et rebondissent sur les parois métalliques, la loupe placée au-dessus du four montre les molécules d’eau qui commencent à tourner, et la vue de la caméra thermique indique où le fromage chauffe. La cavité de cuisson est à gauche. À droite se trouvent les pièces qui fabriquent l’onde : une alimentation haute tension, un magnétron et un court tuyau métallique appelé guide d’ondes. Vous pouvez remplacer l’aliment par du chocolat, une tasse d’eau ou un glaçon, le faire glisser vers un autre endroit, changer de récipient, ouvrir la porte ou agrandir les trous de la grille de la porte. L’onde elle-même est ralentie environ 2,45 milliards de fois pour que vous puissiez voir le champ osciller.

Le magnétron transforme l’électricité en onde

Un four à micro-ondes a besoin d’une source qui fournit plusieurs centaines de watts à une seule fréquence fixe, et elle doit être bon marché. Cette source est le magnétron, un tube à vide en cuivre et en céramique, à peu près de la taille d’un poing.

Au milieu du tube se trouve une cathode, un filament chauffé jusqu’à ce qu’il libère des électrons. Autour d’elle se tient l’anode, un bloc de cuivre dont les ailettes pointent vers l’intérieur. Une haute tension attire les électrons de la cathode vers l’anode. Si rien d’autre ne se produisait, ils traverseraient simplement l’espace en ligne droite et le tube se comporterait comme une diode ordinaire.

Les deux aimants annulaires changent cela. Ils créent un champ magnétique constant le long de l’axe du tube, perpendiculaire au champ électrique. Un électron en mouvement dans un champ magnétique subit une force latérale : au lieu de filer droit, il courbe sa trajectoire et tourbillonne autour de la cathode. C’est pour cette raison que HyperPhysics décrit le magnétron comme un dispositif « à champs croisés ».

Les intervalles entre les ailettes de cuivre sont les cavités résonantes. Chacune se comporte comme un minuscule circuit doté de sa propre fréquence naturelle, un peu comme l’air d’une bouteille sur laquelle on souffle. Quand les électrons qui tourbillonnent passent devant la pointe des ailettes, ils déplacent des charges d’un côté à l’autre des intervalles à cette fréquence naturelle et fournissent de l’énergie à l’oscillation. Les électrons se regroupent en rayons tournants : avec huit cavités, il y a quatre rayons, que montrent les points lumineux du modèle lorsque Voir l’intérieur est activé. Une courte antenne placée sur le dessus de l’anode conduit l’oscillation hors du tube.

L’alimentation qui fournit tout cela se compose d’un transformateur, d’un condensateur et d’une diode. Une fiche technique de la University of Michigan indique une tension du magnétron d’environ 4000 volts et une puissance de sortie d’un four domestique d’environ 700 watts. Le ventilateur placé derrière le magnétron est là parce que le tube transforme en chaleur une bonne part de sa puissance électrique, et cette chaleur doit être évacuée par un courant d’air.

Le guide conduit l’onde vers les aliments

L’antenne ne vise pas directement les aliments. Elle plonge dans un tuyau métallique rectangulaire, le guide d’ondes, qui conduit l’onde jusqu’à une ouverture de la paroi latérale de la cavité. Cette ouverture est généralement recouverte d’une fine plaque de mica qui laisse passer l’onde et empêche la graisse d’entrer.

Un tuyau métallique ne peut transporter une onde que s’il est assez large. Pour le motif le plus simple dans un tuyau rectangulaire, la plus grande longueur d’onde qui passe est égale à deux fois la largeur intérieure. Le tuyau du modèle a les dimensions d’un guide d’ondes standard WR-340, 8,64 sur 4,32 cm à l’intérieur, donc sa coupure se situe à 2 × 8,64 = 17,28 cm. L’onde de 12,24 cm du four est plus courte que cela, elle se propage donc. Le motif suivant exigerait une longueur d’onde inférieure à 8,64 cm : un seul motif est possible, ce qui garde l’alimentation bien ordonnée.

À l’intérieur du tuyau, le motif de l’onde se répète tous les

λg = λ / √(1 − (λ / 2a)²) = 12,24 / √(1 − (12,24 / 17,28)²) = 17,3 cm,

un peu plus long que dans l’espace libre. Les flèches du guide d’ondes montrent ce motif qui glisse vers la cavité.

Une onde stationnaire remplit la boîte

Pourquoi 2,45 GHz ? Les bandes radio sont partagées, et quelques-unes sont réservées aux équipements industriels, scientifiques et médicaux qui utilisent l’énergie radio pour autre chose que la communication. Aux États-Unis, 47 CFR 18.301 cite 2450 MHz avec une tolérance de ±50 MHz parmi ces bandes, et les fours domestiques l’utilisent.

La longueur d’onde découle de la fréquence :

λ = c / f = 299 792 458 m/s ÷ 2 450 000 000 Hz = 0,1224 m, soit 12,2 cm.

Les parois de la cavité sont en métal, et le métal réfléchit les micro-ondes. Une onde qui frappe la paroi du fond revient, rencontre l’onde suivante qui arrive, et les deux s’additionnent. À certains endroits, elles s’annulent toujours. Ce sont les nœuds, où le champ bouge à peine. À mi-chemin entre eux, les ondes s’additionnent toujours et le champ oscille au maximum. Ce sont les ventres. Le motif ne se déplace pas : il est stationnaire, d’où son nom d’onde stationnaire. Le long d’une même ligne, les nœuds sont séparés d’une demi-longueur d’onde, soit 6,12 cm.

Une boîte fermée ne peut contenir que certaines ondes stationnaires, appelées modes. La cavité du modèle mesure 29,49 cm de large et 31,28 cm de profondeur, et ces valeurs ont été choisies pour que deux modes correspondent exactement à l’onde de 2,45 GHz. Pour un mode de m demi-ondes sur la largeur a et de p demi-ondes sur la profondeur d, la condition est

(m / a)² + (p / d)² = (2 / λ)².

Avec m = 1 et p = 5 : (1 / 0,2949)² + (5 / 0,3128)² = 11,50 + 255,51 = 267,0 par mètre carré, et (2 / 0,12236)² = 267,2. Avec m = 3 et p = 4 : 103,5 + 163,5 = 267,0. Les deux modes résonnent à 2,449 GHz, à moins de 0,1 pour cent de la fréquence du magnétron. La carte orange et bleue sur le fond de la cavité est le mélange des deux, et les flèches au-dessus montrent le champ qui monte et descend.

Mesurer la vitesse de la lumière avec du fromage fondu

Une expérience de cuisine bien connue exploite ce motif. Retirez le plateau tournant, mettez une assiette recouverte de fromage ou de chocolat, faites fonctionner le four pendant un court moment et mesurez la distance entre les taches fondues. Si ces taches sont séparées d’une demi-longueur d’onde, alors

c = 2 × écart × f.

Dans le modèle, les bandes le long de la profondeur viennent du mode à cinq demi-ondes sur 31,28 cm, elles sont donc espacées de 31,28 ÷ 5 = 6,26 cm. Le double de cette valeur multiplié par 2,45 GHz donne 3,07 × 10⁸ m/s, soit 2,3 % de plus que la vraie vitesse de la lumière. Cette petite erreur est réelle et mérite d’être comprise. L’onde de ce mode ne va pas exactement de l’avant vers l’arrière : elle traverse la boîte sous un angle d’environ 12°, si bien que les bandes le long d’une paroi sont un peu plus éloignées que les 6,12 cm d’une onde qui se propagerait en ligne droite. La règle à gauche du fond de la cavité montre les deux : des graduations orange tous les 6,12 cm, des graduations noires aux nœuds des bandes. Au niveau de la paroi du fond, elles se sont écartées de presque 7 mm.

C’est pourquoi une version soignée de l’expérience mesure plusieurs taches et en fait la moyenne, et pourquoi un résultat à quelques pour cent de 3 × 10⁸ m/s compte comme une réussite.

L’exposition vous permet de faire cette mesure. Choisissez Chocolat, désactivez le plateau tournant et chauffez environ 20 secondes. Aux endroits où le champ est fort, le chocolat devient plus clair et brillant en fondant. Appuyez sur deux taches fondues voisines, dans une même rangée droite le long du grand côté de la tablette : l’affichage donne leur distance, puis le double de cette distance multiplié par 2,45 GHz. Dans les rangées situées à environ 5 cm de part et d’autre du milieu, où seul le mode à cinq demi-ondes chauffe, des taches voisines sont distantes de 6,25 cm et le résultat est de 3,06 × 10⁸ m/s, soit environ 2 % trop haut. Au milieu de la tablette, le second mode ajoute ses propres taches, et deux zones fondues peuvent être distantes d’une longueur d’onde entière, ce qui donne une réponse presque deux fois trop grande. Le vrai chocolat présente le même piège.

Ce que change le plateau tournant

Réglez la durée de chauffe sur 40 secondes, plateau tournant désactivé. Le fromage développe des bandes et des taches orange sur les ventres, dont certaines atteignent 100 °C, tandis que les bandes situées sur les nœuds restent proches de 20 °C. Le calcul d’énergie sans plafond donne une moyenne de 58 °C ; la moyenne affichée peut être plus basse à cause du plafonnement de la température.

Activez maintenant le plateau tournant. Rien n’a changé dans l’onde : les endroits chauds et froids restent fixés au four. Ce qui change, c’est que chaque morceau de fromage décrit un cercle et traverse plusieurs de ces zones. Sa chaleur est la moyenne le long de son cercle, donc les bandes s’étalent en anneaux. Après les mêmes 40 secondes, la partie la plus froide du fromage est à environ 49 °C et la plus chaude à environ 93 °C, soit un écart de 44 degrés au lieu de 80. L’énergie moyenne absorbée sans plafond est la même dans les deux cas. La température moyenne affichée peut différer, car les cellules sont plafonnées à 100 °C.

Le centre de l’assiette ne bouge pas, le plateau tournant ne peut donc rien pour lui. Quel que soit le champ au milieu du four, le milieu de l’assiette reçoit exactement celui-là. Certains fours utilisent à la place du plateau tournant un agitateur métallique, une pale de ventilateur qui tourne lentement près de l’alimentation. Il remodèle le motif lui-même au lieu de faire passer l’aliment à travers lui.

Comment un champ devient chaleur

La FDA explique que les micro-ondes font vibrer les molécules d’eau des aliments et que cela produit de la chaleur. La loupe du modèle montre ce que cela signifie. Une molécule d’eau est coudée, avec l’atome d’oxygène au sommet et deux atomes d’hydrogène aux extrémités. Les électrons passent plus de temps près de l’oxygène : le côté oxygène est donc légèrement négatif et le côté hydrogène légèrement positif. Une telle molécule est un dipôle électrique, et un champ électrique la fait tourner de sorte que son côté positif soit orienté dans le sens du champ.

Dans le four, le champ accomplit 2,45 milliards de cycles par seconde : les molécules sont tirées dans un sens, puis dans l’autre. Elles ne peuvent pas suivre librement, car chacune se heurte à ses voisines et forme des liaisons avec elles. La rotation est freinée et désordonnée, et ce mouvement désordonné, c’est la chaleur. Dans la loupe, les molécules oscillent avec le champ et s’agitent davantage à mesure que le fromage chauffe.

C’est aussi pourquoi les aliments ne chauffent pas de l’intérieur vers l’extérieur. La FDA note que, dans un aliment épais, les couches extérieures sont chauffées surtout par les micro-ondes et le centre surtout par la chaleur que la conduction amène depuis l’extérieur chaud.

Pourquoi la grille retient les ondes

La porte est le seul endroit où l’on a besoin de voir à l’intérieur. La solution est une tôle métallique remplie de petits trous derrière la vitre. La lumière a une longueur d’onde d’environ un demi-micromètre et passe facilement par les trous. Les micro-ondes ont une longueur d’onde de 12,2 cm, et un trou de 2 mm est environ 60 fois plus petit.

Un trou se comporte comme un tuyau très court et, comme pour le guide d’ondes, un tuyau ne transporte que des ondes plus courtes que sa longueur d’onde de coupure. Pour un trou rond, la longueur d’onde de coupure vaut environ 1,7 fois son diamètre, soit ici 3,4 mm. L’onde du four est 36 fois trop longue pour traverser. À l’intérieur du trou, le champ ne peut que s’éteindre : d’un facteur e tous les demi-millimètres environ. La fiche de la University of Michigan énonce la règle simplement : les micro-ondes ne peuvent pas traverser la grille métallique si la largeur de la maille est très inférieure à la longueur d’onde.

Des règles fédérales fixent la fuite admissible. Selon 21 CFR 1030.10, la densité de puissance à 5 cm de l’extérieur d’un four ne doit pas dépasser 1 milliwatt par centimètre carré à la vente, puis 5 milliwatts par centimètre carré ensuite. La même norme exige au moins deux sécurités qui arrêtent le magnétron à l’ouverture de la porte. La FDA ajoute que la mesure tombe à environ un centième quand on passe de 2 pouces (environ 5 cm) à 20 pouces (environ 50 cm) de distance, et déconseille d’utiliser un four dont la porte est déformée ou ne se ferme pas fermement.

Le curseur Diamètre des trous transforme la loupe en une coupe de la grille de la porte à taille réelle, avec l’onde de 12,2 cm qui arrive de l’intérieur. Pour chaque taille de trou, l’affichage donne la longueur d’onde de coupure, soit 1,706 fois le diamètre, et une estimation de la force avec laquelle un trou bloque l’onde : 20 log10(λ / 2d) décibels pour une fente très petite devant la longueur d’onde, règle pratique courante en ingénierie, plus 32 t / d décibels pour un trou de profondeur t, ce qui découle de la coupure. Avec des trous de 2 mm dans une tôle de 1 mm, cela fait environ 46 dB, soit un facteur d’environ 40 000 en puissance. Vers 50 mm, l’estimation tombe sous 3 dB, et à une demi-longueur d’onde, 61 mm, la grille cesse de fonctionner : la loupe montre l’onde qui passe et des points qui s’échappent par la porte. Ces valeurs sont celles du modèle pour un seul trou ; une vraie grille compte des milliers de trous, et la porte comporte aussi un piège à micro-ondes sur son pourtour.

Pourquoi une fourchette produit des étincelles

La grille de la porte est en métal elle aussi, alors pourquoi une fourchette est-elle dangereuse ? La différence tient à la forme. Une tôle plane et lisse percée de minuscules trous réfléchit l’onde sans incident. Une fourchette a quatre dents fines qui se terminent en pointes.

Dans le champ du four, les électrons du métal vont et viennent des milliards de fois par seconde. Ils s’accumulent aux pointes et aux arêtes, et le champ près d’une pointe aiguë devient bien plus intense que dans le reste du four. Le physicien Aaron Slepkov a expliqué à Live Science que ce champ peut devenir assez fort pour arracher des électrons aux molécules de l’air. L’air ionisé absorbe les micro-ondes encore plus fortement que l’eau : une étincelle capte donc plus d’énergie et grandit. Activez Fourchette dans le four dans le modèle pour voir les étincelles sauter entre les pointes des dents.

Le Physics Van de la University of Illinois avertit que les étincelles venant d’attaches métalliques de sacs et d’autres métaux pointus peuvent provoquer un incendie, et qu’un métal proche des parois du four peut produire un arc avec elles. Si vous voyez des étincelles, arrêtez le four et retirez le métal une fois qu’il est éteint. Live Science note qu’une feuille lisse et plate peut ne pas produire d’étincelles du tout, alors qu’une feuille froissée en produit vite, ce qui explique pourquoi les manuels autorisent souvent de petits morceaux lisses pour protéger un aliment. Suivez toujours le manuel de votre four ; la FDA note aussi que certains fours ne doivent pas fonctionner à vide.

Calculer la chaleur

Le modèle suppose que le fromage absorbe 600 W, une valeur ronde inférieure aux 700 W que donne la fiche de Michigan pour un four typique. Le disque de fromage mesure 22 cm de diamètre et 6 mm d’épaisseur, son volume est donc π × 0,11² × 0,006 = 2,28 × 10⁻⁴ m³. Avec une masse volumique de 1100 kg/m³, cela fait 0,25 kg. Avec une chaleur massique de 2,5 kJ par kilogramme et par kelvin, l’élever d’un degré demande 627 J. La vitesse moyenne de chauffe est donc de

600 W ÷ 627 J/K = 0,96 K par seconde.

Sans le plafond de température, 40 secondes feraient monter la moyenne de 38 K, de 20 °C à 58 °C. La moyenne affichée est calculée après plafonnement de chaque cellule, elle peut donc être plus basse. Le ventre le plus chaud reçoit 3,2 fois la moyenne, il atteint donc 100 °C en environ 26 secondes. Le modèle plafonne chaque point à 100 °C et utilise une couleur brune pour signaler une dose d’énergie excédentaire. L’évaporation réelle fait intervenir la chaleur latente, et le brunissement réel dépend de l’humidité et de la température de surface ; aucun de ces deux processus n’est calculé ici.

Ce que le modèle omet

La carte de chauffe n’utilise que deux modes, additionnés comme des motifs de chauffe et non comme des ondes qui interfèrent. Un vrai four, surtout avec un aliment à l’intérieur, possède de nombreux modes, et l’aliment lui-même dévie et absorbe l’onde. Dans le modèle, le champ pointe partout vers le haut ; dans une vraie cavité, il a des composantes dans toutes les directions. Le fromage conduit la chaleur, si bien que les vrais points chauds ont des bords plus doux. Les 600 W, la masse volumique et la chaleur massique sont des hypothèses rondes pour un fromage mou, pas des valeurs mesurées. La vitesse du plateau tournant, un tour en 12 secondes, est choisie pour le modèle. Le magnétron est dessiné avec huit ailettes et des liaisons simplifiées ; les tubes réels varient par le nombre d’ailettes et leur disposition.

Autres valeurs du modèle : le fromage absorbe 75 % de la puissance réglée (600 W pour 800 W), le chocolat le quart de cela parce qu’il contient peu d’eau, et la tasse d’eau 70 %, valeur que le calculateur permet de modifier. Le facteur de position d’un petit objet vaut 0,35 + 0,65 fois le champ local, de sorte que sa moyenne est de 1 sur le milieu du fond. La glace absorbe 5 % de ce que l’eau absorberait, jusqu’à ce qu’elle fonde. Un plat en céramique en prend 5 % et un bol en acier laisse passer 12 %. Les décibels de la grille de la porte sont la règle pratique du trou unique donnée plus haut. Les points lumineux qui rebondissent sur les parois montrent des réflexions ; le motif de chauffe vient de l’onde stationnaire, pas de l’endroit où les points vont par hasard. Les couleurs thermiques des pièces du four sont illustratives.

Une barre fondue dans les années 1940

Le magnétron était un composant de radar de guerre. Selon le National Inventors Hall of Fame, Percy Spencer, de la société Raytheon, a trouvé une façon plus simple de fabriquer les magnétrons, ce qui a fait passer la production de 17 à 2600 par jour. APS News décrit comment il estampait de fines sections de cuivre et les empilait, au lieu d’usiner chaque tube dans un bloc de métal plein.

APS News et le Lemelson-MIT Program racontent tous deux l’histoire de la barre de chocolat. Près d’un magnétron en fonctionnement, Spencer s’aperçut qu’une barre de chocolat qu’il avait dans sa poche avait fondu. Il essaya des grains de maïs, qui éclatèrent, puis, selon APS News, un œuf, qui explosa. Raytheon déposa un brevet pour la cuisson par micro-ondes le 8 octobre 1945. Il fut accordé le 24 janvier 1950 sous le numéro de brevet américain 2,495,429, « Méthode de traitement des aliments », avec Spencer comme inventeur.

Les premiers fours commerciaux s’appelaient Radarange. Lemelson-MIT les date de 1947, alors qu’APS News indique 1946 : l’année diffère donc selon les sources. Toutes deux décrivent des machines de près de six pieds (environ 1,8 m) de haut et d’environ 750 livres (environ 340 kg). APS News ajoute que l’invention est arrivée pour la première fois devant le public en janvier 1947, dans un distributeur de hot-dogs du Grand Central Terminal à New York.

Combien de temps pour une tasse d’eau ?

Un calcul séparé permet de mieux voir la différence entre puissance nominale et puissance absorbée. Supposons qu’une tasse contienne 250 g d’eau, initialement à 20 °C, et que l’objectif soit 80 °C. Utilisons une chaleur massique constante de 4,18 J/g·K, approximation arrondie sur cette plage. L’élévation de température nécessaire est de 60 K, l’eau a donc besoin de

Q = mcΔT = 250 × 4,18 × 60 = 62 700 J.

Supposons que le four soit donné pour 800 W de puissance de sortie micro-ondes, et non pour 800 W d’entrée électrique. Si chaque joule de cette sortie chauffait l’eau, la durée serait de 62 700 ÷ 800 = 78,4 secondes. Avec un facteur de couplage à la charge de 70 %, donné à titre d’illustration, l’eau reçoit 560 W et la durée devient 62 700 ÷ 560 = 112 secondes. Ce facteur est une hypothèse pour l’exemple, pas un rendement mesuré valable pour tous les fours. Il exclut la perte de conversion de l’électricité en micro-ondes, déjà implicite dans la distinction entre puissance d’entrée et puissance de sortie.

Avec un couplage supposé de 50 %, le même calcul donne 400 W et 157 secondes. Ces exemples expliquent pourquoi la puissance seule ne peut pas prédire un temps de chauffe exact. La tasse absorbe aussi de l’énergie, et de la chaleur s’échappe vers la pièce. La quantité d’eau et la géométrie du récipient changent la façon dont la charge se couple à la cavité. Le calcul néglige ces pertes et suppose une température bien mélangée. Ce n’est ni une consigne de cuisson ni la garantie qu’une tasse donnée sera chaude de façon uniforme.

L’encadré Votre micro-ondes, sous les commandes, fait ce calcul pour votre propre four : entrez la puissance de sortie indiquée sur son étiquette, la durée, la quantité d’eau, la température de départ et la part qui atteint l’eau. Chauffer sur la scène place sur le plateau tournant une tasse aux mêmes valeurs, à un endroit où son cercle moyenne le champ moyen, de sorte que la scène atteint la même température. Sur la scène, on peut aussi faire glisser la tasse vers un endroit chaud ou froid, plateau tournant désactivé, ce qui change la vitesse à laquelle elle chauffe ; l’affichage donne le champ au niveau de la tasse comme un multiple de la moyenne (valeur du modèle).

La FDA avertit que de l’eau chauffée seule dans une tasse propre peut surchauffer, dépasser son point d’ébullition sans bulles, puis jaillir quand on déplace la tasse ou qu’on y ajoute quelque chose. Ajouter du café instantané ou du sucre avant de chauffer réduit fortement le risque. Quand la tasse de la scène atteint 100 °C, l’affichage répète ce conseil. Chauffez l’eau par étapes courtes, remuez et laissez reposer, plutôt que de tester ce calcul par de longues durées.

Jusqu’où pénètre l’énergie

Une longueur d’onde de 12,2 cm dans l’air ne signifie pas que les micro-ondes pénètrent de 12,2 cm dans tous les aliments. À l’intérieur d’un matériau dissipatif, le champ est atténué, et la longueur d’onde change aussi. La profondeur de pénétration en puissance désigne généralement la distance sur laquelle la puissance de l’onde qui se propage tombe à 1/e de sa valeur initiale, soit environ 37 %. Ce n’est pas une frontière nette au-delà de laquelle la chauffe s’arrête brusquement. À deux fois cette profondeur, il en reste environ 14 % dans le modèle exponentiel simple.

Gezehegn et ses collègues ont mesuré les propriétés de l’eau pour des systèmes de traitement des aliments par micro-ondes. À 2450 MHz, la profondeur de pénétration en puissance de leur eau purifiée était de 19 mm à 23 °C. La profondeur qu’ils rapportent monte à 118 mm à 120 °C dans les conditions de traitement de l’étude. Cette température plus élevée n’est pas une condition à reproduire dans une tasse ouverte en cuisine. La comparaison montre à quel point la pénétration dépend de la température du matériau : une valeur à température ambiante ne peut pas être transposée telle quelle à un procédé industriel chaud.

Les aliments ajoutent d’autres complications. Les ions dissous contribuent aux pertes diélectriques, et un repas contient des zones dont la teneur en eau diffère. La synthèse de Vollmer décrit le chauffage ionique des aliments salés à côté de la réponse des dipôles de l’eau. La profondeur de pénétration qui en résulte n’est pas une spécification universelle imprimée sur le four. Une portion épaisse peut recevoir l’énergie des micro-ondes dans son volume tout en dépendant de la conduction pour amener à température un centre mal chauffé. Couvrir, remuer quand c’est approprié et respecter le temps de repos indiqué répondent à des aspects différents de ce problème.

Les aliments congelés offrent un contraste utile. Dans la glace, les molécules d’eau sont contraintes par un réseau cristallin, de sorte que leurs dipôles répondent beaucoup moins librement au champ de micro-ondes. L’eau liquide absorbe plus fortement à la fréquence de cuisson. Dès qu’une petite zone dégèle, elle peut donc chauffer plus vite que la zone gelée voisine. Un bord brûlant à côté d’un centre glacé ne prouve pas que l’onde a cherché l’endroit le plus froid. Un fonctionnement par intermittence en décongélation laisse à la chaleur le temps de se répartir entre les zones. L’exposition ne calcule ni la fusion, ni la chaleur latente, ni les variations des propriétés diélectriques : ses couleurs de fromage ne doivent donc pas servir à prédire le temps de décongélation d’un plat surgelé.

Ce qu’établit une mesure au chocolat

L’activité sur le chocolat de la University of Waterloo décrit l’usage de chocolat immobile pour révéler les points chauffés. L’inférence demande une hypothèse supplémentaire : les points comparés doivent représenter des ventres voisins d’un motif d’onde stationnaire approprié. Les taches fondues sont un relevé de température, pas une photographie directe du champ électrique instantané. La chaleur se diffuse pendant que l’échantillon chauffe, et plusieurs modes peuvent rapprocher ou éloigner des maxima voisins par rapport à ce que suggère l’image simple de la demi-longueur d’onde.

Pour un écart hypothétique de 6,0 cm, le calcul élémentaire donne 2 × 0,060 × 2,45 × 10⁹ = 2,94 × 10⁸ m/s. Si repérer le centre d’une large tache laisse une incertitude de 0,5 cm sur l’écart, l’incertitude relative sur l’écart est déjà de 0,5 ÷ 6,0, soit environ 8 %. Donner beaucoup de décimales masquerait cette incertitude. Mesurer sur plusieurs taches régulièrement espacées peut réduire l’erreur de règle, mais n’élimine pas une mauvaise identification du mode.

Dans cette exposition, l’espacement affiché de 6,26 cm entre bandes correspond à un mode précis de la cavité, alors que 6,12 cm est la demi-longueur d’onde dans l’air. Leur différence est voulue. Un accord apparemment bon avec la valeur admise de la vitesse de la lumière ne prouve pas que chaque tache fondue voisine représente la même géométrie. Utilisez la règle affichée à l’écran pour la comparaison, sans démonter un appareil. Ne contournez jamais la sécurité de la porte et n’ouvrez jamais le compartiment haute tension ; le dessin du magnétron est un modèle, pas un guide de dépannage.

Glace à côté de l’eau

Choisissez Glaçon. Un glaçon de 30 g part de −18 °C et, dans le modèle, n’absorbe que 5 % de ce qu’absorberait la même masse d’eau liquide. La synthèse de Vollmer en donne la raison : à 2,45 GHz, le facteur de perte de la glace est environ un millième de celui de l’eau liquide, parce que des molécules bloquées dans un cristal peuvent à peine tourner. Les 5 % sont une valeur du modèle qui remplace les fins films d’eau de fonte d’un vrai glaçon. Dès que le glaçon atteint 0 °C, il commence à fondre, et chaque gramme d’eau de fonte absorbe fortement, si bien que la fonte s’accélère d’elle-même. Avec la caméra thermique activée, on voit le glaçon rester sombre pendant que la flaque autour de lui s’éclaircit. C’est le même emballement qui laisse un plat surgelé glacé à un endroit et bouillant à un autre, et c’est la raison pour laquelle les réglages de décongélation allument et éteignent le magnétron.

Le métal sur la scène

Le curseur Récipient change ce qui contient l’aliment. Le verre et la céramique laissent passer les micro-ondes, comme l’explique la FDA, et ne chauffent que par l’aliment. Un bol en acier les réfléchit : dans le modèle, l’aliment qu’il contient absorbe 12 % de la puissance habituelle (valeur du modèle), et l’affichage avertit que du métal près des parois peut produire des étincelles. La FDA déconseille les casseroles métalliques et le papier d’aluminium pour la même raison, une cuisson inégale et des dégâts possibles pour le four. Fourchette dans le four montre l’autre problème, les pointes aiguës. Quand des étincelles apparaissent, arrêtez le four ; l’un des défis vous demande de le faire en moins de trois secondes.

Comparaisons à l’écran

Mettez la lecture en pause avant de comparer des réglages, pour que la durée de chauffe n’avance pas entre deux observations. Désactivez Plateau tournant, réglez Durée de chauffe sur 20 secondes et notez l’écart de température du fromage. Choisissez ensuite 40 secondes. Tant que le plafond de température n’est pas atteint, la dose calculée en un point fixe croît proportionnellement au temps. Après qu’un point a atteint 100 °C, sa température affichée cesse de monter et sa couleur fonce à la place. Cette couleur est un indice de dose excédentaire, pas un calcul de la chimie d’une croûte.

Comparez la même durée de chauffe avec Plateau tournant activé. L’aliment en mouvement échantillonne le champ fixe le long de trajectoires circulaires. Il ne fait pas tourner le motif d’onde stationnaire de la cavité. Les températures minimale et maximale sont une meilleure preuve d’uniformité qu’une moyenne unique ; la moyenne affichée reflète aussi le plafond de température du modèle. Un point situé exactement sur l’axe de rotation ne peut pas échantillonner un autre endroit.

Caméra thermique colore chaque surface selon sa température, de sombre à 15 °C à blanc à 100 °C, comme le ferait une caméra thermique dirigée sur l’aliment. Le magnétron et le transformateur chauffent pendant que le four fonctionne. Puissance règle la sortie du four ; l’affichage indique quelle part en est absorbée par l’aliment dans le modèle. Afficher le champ masque les flèches et les points de réflexion pour que l’aliment soit plus facile à lire. Diamètre des trous fait passer la loupe sur la grille de la porte à taille réelle, décrite plus haut. Appuyer sur la porte l’ouvre, et la sécurité arrête aussitôt le four.

Aucune de ces commandes ne change la fréquence de fonctionnement. Comparer des réglages teste ce modèle précis ; cela ne certifie pas le niveau de fuite d’un vrai four et n’établit pas qu’un aliment a atteint une température sûre pour être servi.