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« Comment le four à micro-ondes chauffe-t-il les aliments ? »

Nous avons choisi de nous intéresser à cet appareil car c'est un outil de la vie de tous les jours, mais peu de personnes connaissent son principe de fonctionnement, ou elles n'en ont qu'une idée vague.De plus, certaines anecdotes assez surprenantes nous ont été racontées, comme un biberon chauffé au four à micro-ondes qui a brûlé la bouche d'un nouveau-né alors que son père avait bien goûté le lait avant de lui donner, ou encore une langue-de-boeuf qui a explosé dans le four ... Les expériences que nous avons réalisées nous ont permis de comprendre et de mettre en évidence les principes de fonctionnement de cet appareil. Il s'est de plus avéré que le four à micro-ondes présente certaines propriétés qu'on ne s'attendait pas forcément à découvrir. Toute cette étude ainsi que l'expérimentation nous a permis de répondre à notre question principale, c'est-à-dire de comprendre comment le four à micro-ondes parvient à réchauffer les aliments.

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Plan

I/ Structure du four à micro-ondes I.A) La découverte du four I.B) Démontage d'un four à micro-ondes I.C) Un fonctionnement spécifique du magnétron II/ Les ondes émises dans le four à micro-onde II.A) Représentation visuelle de l'onde électromagnétique II.B) Caractéristiques des ondes émises par le magnétron. II.C) Régime d'ondes stationnaires dans le four et répartition de l'énergie dans le four III/ La molécule d'eau, une molécule aux propriétés particulières III.A) Structure et géométrie de la molécule d'eau III.B) H20 molécule polaire III.C) Visualisation du caractère polaire IV/ Interaction entre les molécules d'eau et les ondes électromagnétiques V/ Consignes de sécurité et règles d'utilisation du four à micro-ondes VI/ Conclusion

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Introduction L’histoire de la découverte des ondes micrométriques est mal connue et plusieurs affirmations sont données dans: - Selon certaines sources, la découverte des micros ondes reviendrait à Percy Spencer, chercheur

qui travaillait sur les ondes radars en 1945. On raconte qu’il aurait constaté qu’un morceau de chocolat posé à proximité d’un guide d’onde aurait ramolli.

- Selon d’autres sources, ce serait en Angleterre que le magnétron aurait été inventé mais ce serait la compagnie Raytheon aux Etats-Unis qui se serait rendu compte des propriétés chauffantes de l’appareil.

Ce dont on est sur dans l’histoire des découvertes, c’est que les expériences de Michael Faraday en 1831 forment la base de la technologie électromagnétique moderne. La naissance du four à micro-ondes est un hasard. Ce sont les applications de la technologie qui ont conduit au développement des micro-ondes. On se rend compte que les radars permettent le réchauffement des aliments, et des mains. Plusieurs anecdotes sont racontées :

- les pigeons stagnants au-dessus des lignes de radars mouraient car ils cuisaient. - les ingénieurs se seraient rendu compte des caractères réchauffants liés aux ondes électromagnétiques, car ils réchauffaient leurs repas sur les radars.

Le four à micro-onde est né en 1947. Le premier four diffusé en 1953 sous la marque Radarange est très lourd, très encombrant et très cher (prix d'une automobile). Il se commercialise comme objet de consommation courante dans les années 1980. Aujourd’hui le four à micro-ondes est un bien de consommation présent dans 80% des foyers.

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I/ Structure du four à micro-ondes I.A) La découverte du four

Les composants d'un four à micro-ondes

À première vue, le four à micro-ondes se présente comme un four traditionnel. Mais en réalité, il est beaucoup plus complexe que cela étant donné qu'il est composés de divers éléments précis qui ont chacun une utilité spécifique dans le fonctionnement du four. Le four à micro-onde présente un habitacle extérieur à peu près comparable à celui du four traditionnel : - Une porte munie d'un hublot qui permet ainsi de surveiller la cuisson. Le hublot est recouvert d'une grille qui empêche la dispersion des ondes à l'extérieur du four mais qui laisse passer la lumière. - L'enceinte du four à micro-ondes est métallique, ce qui empêche les ondes de quitter la cavité du four vers l'extérieur. ‒ Sur la face extérieure du four se situent différents boutons de commande : le réglage de la

minuterie et le réglage de la « puissance » du four et un bouton-poussoir permettant d'activer ou de désactiver la fonction « plateau tournant ».

Le four à micro-ondes révèle cependant un intérieur complexe : - Un crochet de fermeture qui est une sécurité essentielle du four car il empêche toute ouverture de la porte lorsque le four est en marche (certains crochets de fermeture désactivent le four si la porte est ouverte lors de la cuisson). - Des joints sont situés à plusieurs endroits du four ce qui empêche toute fuite d'onde à l'extérieur du four et ces joints permettent de contenir l'énergie qui est dégagée à l'intérieur du four. - Un plateau tournant en verre (isolant) - Un entraîneur et un prisme de l'entraîneur permettent la rotation du plateau tournant. - Le magnétron qui est le générateur d'onde à l'intérieur du four à micro-ondes.

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- Le guide d'onde qui dirige les ondes fournies par le magnétron jusqu'à la cavité du four (= espace de cuisson des aliments). - Un brasseur d'ondes, sorte de petit ventilateur métallique situé au-dessus de la cavité du four qui brasse les ondes et permet une dispersion uniforme de celles-ci dans la cavité du four. - Un système de ventilation pour refroidir les composants qui chauffent au cours de l'utilisation (effet Joule). Remarque : le guide et le brasseur d'onde ne sont présents que sur certains modèles plus anciens.Le four démonté n'en possédait pas, comme celui utilisé pour nos expériences. (Nous montrerons plus loin que les fours qui en possédaient étaient de meilleure qualité.)

Porte munie d'un hublot :

Enceinte du four à micro-ondes :

Bouton de réglage de la puissance:

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I.B) Démontage d'un four à micro-ondes

Grâce au service après vente d'un magasin spécialisé dans l'électroménager, nous avons pu nous fournir un four à micro-ondes en panne que nous avons pu démonter pour étudier sa composition en détail.Ce four étant un four multi-usages (micro-ondes + grill), nous ne nous sommes intéressés qu'à la partie concernant les micro-ondes. Ci-dessous le coté du four où se trouvent les composants électroniques du four, entre autres : ‒ Un magnétron ‒ Un transformateur ‒ Un condensateur ‒ Un circuit électronique et une interface pour les réglages du four.

Le magnétron, le transformateur et le condensateur (de gauche à droite)

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Étiquettes du magnétron (à gauche) et du transformateur (à droite)

La capacité du condensateur était de 1 micro farad. Ce condensateur a un rôle de filtrage : couplé aux 2 bobines de cuivre (voir photo du magnétron plus loin) il garantit une bande passante maximale de la tension fournie au magnétron.

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Nous avons ensuite démonté le composant principal du four : le magnétron

On peut observer sur cette photo les 2 aimants circulaires, le feuilletage du système de refroidissement passif ainsi qu'un tube qui traverse le dispositif.

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Filtre secteur

Magnétron et système de refroidissement

Champ magnétique radial

Une fois les aimants et la cage métallique enlevés, il ne reste plus que le tube ainsi que le système de refroidissement.Ce tube est en métal, mais ces extrémités sont recouvertes de céramique. Deux fils rentrent par une des 2 extrémités, l'autre extrémité est en biseau (métallique)

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Schéma récapitulatif :

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I.C) Un fonctionnement spécifique du magnétron

Étude du fonctionnement du magnétron et de l'émission des ondes

Matériel :

Un four à micro-ondes

Un ordinateur muni du logiciel Synchronie

Un détecteur avec diode de redressement HF

Une interface d'acquisition de mesures reliée à l’ordinateur

Une plaque d'essais

But de l'expérience :

On cherche à savoir ce que l'on fait varier lorsque l'on choisit une puissance à l'aide du bouton de réglage situé sur la façade du four. Notre étude s'attachera à visualiser ce qui se passe dans les différents régimes de fonctionnement.

Protocole de l’expérience :

• Préparation du détecteur: on soude des câbles fins à la diode de redressement HF, on coince fil le long de la porte pour le faire sortir et ne pas gêner la fermeture de la porte.

• On connecte ces deux câbles à une résistance et ultérieurement aussi un condensateur, ceci sur une plaque de connexion assez éloigné du four.

• On relie le circuit du détecteur à l'interface de l'ordinateur.

• On réalise une acquisition de données avec le logiciel Synchronie 2003.

Conditions de l'expérience :

• Température de l'air : 21°c

Expériences :

On fait varier la « puissance » du four grâce au bouton de sélection, bouton placé sur la face avant du four. Chaque acquisition de données est faite sur un temps de 100 secondes et la diode est placée en un point A qui correspond à la moitié du rayon du plateau tournant.

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Expérience 1 : A faible puissance (= mi-low), on obtient l'enregistrement suivant :

Bilan : On observe des émissions périodiques d'environ 4 secondes, séparées par un temps de non-émission de 26 secondes.En sélectionnant la puissance mi-low, le magnétron fonctionne donc de la manière suivante : il émet des ondes durant 4 secondes, puis n'en émet plus durant 26 secondes. La durée totale du cycle émission-repos est de 30 secondes, et le magnétron commence par une phase de repos.

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Expérience 2 : A moyenne puissance (= medium), on obtient cet enregistrement :

Bilan : On observe ici des périodes d'émission de 15 secondes, séparées par une période de non-émission de 15 secondes également (la sélection « medium » confirme ce résultat). La durée du cycle émission + repos est de 30 secondes, et le magnétron commence encore par une phase de repos.

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Expérience 3 : A pleine puissance (= high), on obtient cet enregistrement :

Bilan : On observe un fonctionnement permanent du magnétron : il y a donc une émission permanente d'ondes. On observe aucune période de repos. Ici, on peut supposer que le cycle de fonctionnement n'est composé d'aucune phase de repos, la courte période de non-émission peut correspondre à la mise en route du magnétron.La puissance crête de varie pas, excepté à la fin de l'acquisition (sûrement dû à l'échauffement du fil).

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Conclusion générale de l'expérience :

On observe donc, selon la « puissance » sélectionnée sur le bouton de commande, une variation des phases d'émission et de repos du magnétron. Cependant, le cycle de fonctionnement composé de ces 2 phases (mis à part la sélection HIGH) a une durée fixe de 30 secondes.La puissance crête reste constante : c'est donc uniquement la puissance moyenne que l'on fait varier en sélectionnant une puissance (par exemple medium), c'est-à-dire le rapport du temps d'émission sur le temps total du cycle (30 secondes). On peut aussi observer que le cycle de fonctionnement du magnétron commence par une phase de repos, sauf pour la sélection HIGH (phase de repos = 0s). Cela est important à noter car on peut en déduire qu'il se sert à rien de placer pendant 10 secondes un aliment ou une boisson à « puissance » mi-low.

Remarque sur les mesures effectuées :

Pour réaliser cette expérience, nous nous sommes inspirés des méthodes de détection utilisées dans le domaine des radio-fréquences. Le circuit de détection est constitué d’une diode de redressement HF et d’un circuit RC en parallèle qui se comportent comme un détecteur de crêtes. Nous avions tout d'abord visualisé le signal à l'aide d'un voltmètre numérique, mais le signal était difficilement exploitable car très instable. Cependant cela nous avait permis de voir dans un premier temps que le voltmètre ne détectait pas une émission continue, puis que la mise en route du magnétron (émission sonore) coïncidait avec la détection d'un signal.

Bien que nous ayons obtenu des résultats exploitables, les mesures ont été limitées :

‒ La présence de métal dans la cavité du four est à éviter, surtout les objets présentant des pointes (lors d'une manipulation, une diode a explosé à cause d'une soudure qui présentait une pointe).

‒ Nous devions au maximum éviter les fuites électromagnétiques qui peuvent être dangereuses pour le manipulateur.

‒ Les fuites directes ou indirectes (par le réseau électrique) perturbent les instruments de mesure ainsi que l'écran de l'ordinateur (perturbation de la fréquence d'affichage, provoquant des « ondes » sur l'écran susceptible de provoquer des crises d'épilepsie surtout chez les personnes photo-sensibles).

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II/ Les ondes émises dans le four à micro-onde Les micro-ondes émises par le magnétron du four sont des ondes électromagnétiques qui se propagent à la vitesse de la lumière. Cela signifie qu'elles engendrent dans l'espace une perturbation de nature électrique et magnétique. Les 2 champs distincts se propagent perpendiculairement : les micro-ondes se représentent donc en 3D. Une onde électromagnétique est susceptible de transmettre de l'énergie à une charge électrique, un atome, une molécule ... etc en les faisant osciller ou vibrer. Les micro-ondes sont des ondes dont la longueur d'onde est comprise entre 1 mètre et 0,1 millimètre.

II.A) Représentation visuelle de l'onde électromagnétique Ces images représentent une onde électromagnétique en 2D ainsi que les modifications électrique et magnétique qu'elle engendre.

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Ces 2 schémas représentent les champs magnétiques et électriques en 3D

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II.B) Caractéristiques des ondes émises par le magnétron. Ces ondes de nature électromagnétique se propagent à la célérité de la lumière. Dans le vide cette célérité vaut c=3*10^8 m/s. La fréquence des ondes émises par le four est N=2450 MHz= 2,45*10^9 Hz La période des ondes émises est T= 1/N = 4,08*1010s= 4 nsenv La longueur d'onde dans le vide est telle que l = c/N = 3*10^8/ 2,450*10^9 = 0,12 m. La longueur d'onde dans l'air est également voisine de 12 cm. La célérité de la lumière variant suivant le milieu, la longueur d'onde sera différente dans les milieux matériels comme l'eau, les aliments et récipients. II.C) Régime d'ondes stationnaires dans le four et répartition de l'énergie dans le four : Expériences préliminaires : ● Expérience 1 : On place un "chamallow" dans le four, puis on met en route le four.Résultat, le

"chamallow" gonfle et brûle si on le laisse trop longtemps. Cette première expérience très banale montre qu'un "chamallow" gonfle lorsqu'il est placé dans le four à micro-ondes.Nous nous sommes ensuite posé la question suivante : que se passe-t-il si on place plus de "chamallows" dans la cavité du four ? Nous avons donc réalisé l'expérience suivante : ● Expérience 2 : On place maintenant une douzaine de "chamallow" dans le four, puis on met le

four en marche.On pourrait s'attendre à ce que tous les "chamallows" gonflent et finissent par brûler. Mais ce n'est pas le cas!On observe certains "chamallow" qui sont complètement brûlés, alors que certains sont resté quasiment intacts.

Pour affiner ce résultat, nous avons réalisé une troisième expérience : ● Expérience 3 : Nous avons réparti du fromage râpé sur du papier sulfurisé placé sur le fond du

four en enlevant complètement le plateau tournant du four (car ce dernier conduit la chaleur et fausse les résultats). Après 3 minutes de cuisson, on voit clairement que certaines zones de la « plaque » de fromage sont très cuites alors que d'autres sont juste tièdes et non fondues.

Après cette expérience, il nous fallait trouver un autre système que le fromage ou les "chamallow" pour étudier la répartition de l'énergie dans le four.Nous avons donc utilisé du papier thermique : c'est un papier qui servait auparavant pour les vieux fax (nous avons en effet eu quelques difficultés à nous en procurer puisque les fax récents n'en utilisent plus).Ce papier réagit à la chaleur : il noircit lorsqu'il est soumis à une température élevée. Ce papier nous à donc été très utile pour mener à bien notre démarche expérimentale.

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Étude de la répartition de l'énergie dans le four :

échauffement et pertes, rôle du plateau tournant.

Matériel :

● Une balance électronique

● Des coupelles avec une masse d'eau connue, m = 1.5g. (Les coupelles utilisées pour l'expérience présentent quelques différences de poids, mais elles sont toutes en verre. La masse d'eau introduite dans chaque coupelle bien est la même.)

● Un four à micro-onde avec plateau tournant.

But de l'expérience :

Nous cherchons à étudier la répartition de l'énergie dans la cavité du four et son effet sur l'échauffement des aliments. Pour cela, nous allons utiliser des coupelles remplies d'eau ainsi que le papier thermique.

Protocole de l’expérience :

• On place différentes coupelles dans la cavité du four, le plateau tournant est enlevé dans la première expérience puis il sera présent dans la seconde expérience.

• On sélectionne la puissance maximale réglable sur le four car on cherche à avoir un cycle de fonctionnement constant pour une évolution croissante de la chaleur, sans phase de repos au départ du cycle (ce qui peut arriver avec les faibles puissances)

• On place les coupelles sur la balance électrique, on mesure le poids de chaque coupelle et on appuie sur « tare » pour remettre la balance à 0. On ajoute dans chaque récipient 1.5g d'eau.

• On place les coupelles en différents points du four, voir schéma plus loin.

• On sélectionne un temps t (t=30secondes) de fonctionnement du four qui restera le même pour les deux expériences, pour être dans les mêmes conditions expérimentales.

Conditions de l'expérience : Température de l'air : 20°c

Expériences :Dans chacune des coupelles, on place une masse (m=1,50g) d'eau :

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Expérience 1 :

Le plateau tournant est enlevé de son emplacement. On place 3 coupelles en trois points différents, les coupelles 1 et 3 sont placées sur un même cercle :

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On sélectionne la puissance maximale pour un temps de 30 secondes.

Les résultats obtenus sont : Récipient n°

Masse du récipient (en g)

Masse du récipient + eau (en g)

Masse du récipient + eau après chauffage (g)

Pertes d'eau (g)

1 8,95 10,45 10,11 0,34

2 9,13 10,63 10 0,63

3 8,87 10,37 10,01 0,36

Bilan : On a donc une perte maximale pour le récipient 2, donc sans plateau tournant, le point central du four reçoit plus d'énergie que nos deux autres points sélectionnés par les coupelles 1 et 3.

Expérience 2 :

Le plateau tournant est activé. On place 3 coupelles en trois points différents. Les coupelles 5 et 6 sont placées sur un même cercle :

On sélectionne la puissance maximale pour un temps de 30 secondes.

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Résultats obtenus :

Récipient n° Masse du

récipient (en g) Masse du récipient + eau (en g)

Masse du récipient + eau après chauffage (g)

Pertes d'eau (g)

4 8,95 10,45 9,46 0,99

5 9,13 10,63 9,99 0,64

6 8,87 10,37 9,39 0,98

Bilan : On a donc une perte maximale pour les récipients 5 et 6, une perte en eau très proche pour les deux récipients, donc avec plateau tournant, le point central du four reçoit moins d'énergie que nos points en périphérie. Le plateau tournant a donc un rôle essentiel dans la répartition de l'énergie.

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AUTRE POSSIBILITE : LE PAPIER THERMIQUE

Nous avons voulu prouver les résultats obtenus précédemment en réalisant l'expérience suivante :

Protocole : on recouvre le plateau de papier thermique dont on humidifie à l'aide d'un vaporiseur. On effectue cela 2 fois, une fois avec le plateau tournant activé, une fois avec le plateau tournant désactivé (le prisme de rotation est enlevé).

Résultats :

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Cette superposition montre bien que les zones coïncident entre l'expérience réalisée avec plateau tournant et celle réalisée sans.

Conclusion générale de ces expériences :

Les résultats nous permettent donc d'affirmer que la répartition de l'énergie dans le four n'est pas uniforme : certains endroits en reçoivent beaucoup (ce sont les points dit « chauds ») alors que d'autres en reçoivent peu (points « froids »). Le plateau tournant va donc avoir un rôle primordial dans la cuisson des aliments : il participe à une répartition plus uniforme de l'énergie dans le four, et donc de la chaleur dans l'aliment. La cuisson est donc de meilleure qualité.Sans plateau tournant, certaines parties des aliments restes froides alors que d'autres sont extrêmement chaudes (anecdote sûrement déjà vécue par les utilisateurs de micro-ondes qui congèlent et réchauffent au four à micro-ondes leur pain : la baguette est trop grande et elle ne tourne pas : on a alors certains endroits encore gelés alors que d'autres sont brûlants).

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Étude de la répartition de l'énergie dans le four : 3D

Matériel :

Un four à micro-ondes

Un rouleau de papier thermique (= papier qui réagit à la chaleur)

6 plaques de plexiglas

Plusieurs tiges plastiques

Un vaporisateur d'eau pour humidifier le papier thermique

But de l'expérience :

Les résultats des expériences précédentes ont montré que la répartition de l'énergie était non uniforme. Cependant, par ces expériences nous n'avons étudié que la répartition de l'énergie uniquement sur la surface plane au niveau du plateau tournant. Nous nous sommes donc demandé si cette non-uniformité était continue (on aurait des « colonnes recevant beaucoup d'énergie) ou alors plus complexe. Cela est important, puisque certains aliments placés dans la cavité du four peuvent êtres assez hauts et de volume important (par exemple un poulet).

Protocole de l’expérience :

- On découpe des feuilles de papier thermique que l'on place une plaque de plexiglas.

- On humidifie chaque feuille de papier thermique avec un vaporisateur d'eau

- on place 2 tiges plastiques pour former la base, recouverte par une plaque de plexiglas et on reproduit ce schéma six fois, pour obtenir un montage comme celui ci contre :

Conditions de l'expérience : Température de l'air 20°C

Montage :

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Photos de l'expérience :

Avant la mise en marche du four :

Pendant le fonctionnement du four à micro-ondes :

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Résultats de l'expérience :

La feuille numéro 1 correspond à la plaque de plexiglas constituant la base du montage et la feuille numéro 6 correspond à la plaque de plexiglas la plus en hauteur. Les feuilles de papier thermique sont étalées dans l'ordre :

Bilan : On observe un échauffement maximal sur les feuilles 1 et 4.Les feuilles 2 et 5 sont moyennement échauffé et les feuilles 3 et 4 ne le sont que très légèrement. Il y a donc une certaine symétrie entre les différentes couches. La répartition paraît assez complexe, mais ces résultats nous permettent d'affirmer que la répartition de l'énergie dans la cavité du four n'est pas uniforme ni sur une surface plane, ni en hauteur. La répartition est donc non uniforme dans tout le volume de la cavité.

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Autres expériences complémentaires

Afin de confirmer l'expérience précédente, nous en avons réalisé une autre. Elle consiste à placer 2 feuilles de papier thermique dans la cavité du four, mais cette fois ci à la verticale. Les 2 feuilles sont fixées en haut et en bas de la cavité, et le papier thermique est humidifié pour pouvoir obtenir un résultat.

Mise en place des feuilles :

Mise en route du four à micro-ondes

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Résultats obtenus après 30 secondes de fonctionnement du four, puissance maximale (high) :

On observe sur la feuille de droite une unique tâche noire, alors que sur la deuxième, on a plusieurs tâches de taille différentes. La répartition de ces tâches semble mettre en évidence une certaine symétrie. De plus, la grosse tache noire de la feuille de droite est située en face de la zone d'émission des ondes (directement à la sortie du magnétron, voir sur la photo ci-dessous, le carré gris à droite).

Le fait que l'on ait une zone noircie en face de cette plaque grise sur chacune des feuilles n'est pas un hasard. Pour le prouver nous avons cette fois ci plaqué une feuille de papier thermique contre cette plaque grise.

Le résultat est concluant : au bout de quelques secondes seulement de fonctionnement (réglage : high), une tâche apparaît sur le papier.

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Résultat obtenu :

Cela confirme donc que les ondes parviennent dans la cavité du four par cet endroit, il est donc normal que l'on ait un point d'énergie forte à cet endroit.

Remarque : pendant l'expérience sur le feuilletage, certaines baguettes en plastique se situaient contre cette plaque grise. Ces 2 baguettes, qui ont sûrement été humidifiées, ont partiellement fondu :

Cet incident n'était pas souhaité, mais il confirme au moins le résultat obtenu dans l'expérience précédente!

Conclusion :

Cette expérience nous permet donc de confirmer nos résultats précédents : la répartition de l'énergie est non uniforme dans tout le volume de la cavité du four à micro-ondes.

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Expliquons maintenant cette répartition non uniforme de l'énergie dans la cavité du four : Ces zones où la cuisson est différente s'expliquent de la manière suivante : la cavité du four métallique réfléchit les ondes électromagnétiques. On a donc une superposition de plusieurs ondes. Or, la superposition de 2 ondes peut se réduire à une seule onde qui est la somme des 2. On obtient alors une onde dite stationnaire. Modélisation de l'onde stationnaire somme :

L'onde bleue se réfléchit sur la paroi métallique de l'enceinte du four à droite. L'onde réfléchie est l'onde verte, et l'onde noire est la somme des 2. On voit très bien que seuls certains points noté AN varient beaucoup par rapport aux points notés N qui ne varient pas du tout. Les points qui varient beaucoup sont donc les « points chauds » du four à micro-ondes car recevant une forte énergie. Remarque : dans la présentation des composants du four, nous avons mentionné la présence d'un brasseur d'onde, qui était présent sur les anciens fours à micro-ondes. Ce brasseur, situé en haut de la cavité du four, permettait une répartition plus uniforme (et donc meilleure) de l'énergie dans la cavité du four grâce à ses pales.Sa suppression permet un gain de place et un coût de fabrication moins important, mais au détriment de la qualité du four.

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III/ La molécule d'eau, une molécule aux propriétés particulières Pourquoi s'intéresser à la molécule d'eau dans le thème du four à micro-ondes ? En fait, il s'avère que cette molécule est indispensable au réchauffement des aliments. III.A) Structure et géométrie de la molécule d'eau La molécule d'eau H2O est composée d'un atome d'oxygène et de 2 atomes d'hydrogène : différentes modélisations sous Chemsketch :

III.B) H20 molécule polaire L'atome d'oxygène est entouré de deux doublets liants (liaisons covalentes avec H) et de deux doublets non-liants : cet environnement tétraédrique explique sa géométrie coudée : les deux liaisons O-H sont coplanaires et font entre elles un angle moyen de 104,5°. Cet angle est légèrement inférieur à celui du tétraèdre régulier en raison de la présence des deux doublets non-liants. La molécule d'eau est polaire, c'est-à-dire qu'elle peut être assimilée à un dipôle électrique. En effet, la molécule étant coudée et l'atome d'oxygène plus électronégatif que l'atome d' hydrogène , le barycentre des charges positives n'est pas confondu avec le barycentre des charges négatives. Cela explique donc que la molécule d'eau est composée de 2 pôles distincts et donc qu'elle est assimilable à un dipôle.

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Nous avons cherché à calculer exactement les positions des barycentres des charges. La distance inter-atomique qui sépare l'atome d'oxygène d'un atome d'hydrogène étant de 95,84 pm. Soient K , le centre de l'atome d'hydrogène et N le centre de l'atome d'oxygène. P est le milieu de [K, K'] L' angle (K'NK) vaut 104,5° et l'angle (PNK) vaut 52,25° d'où l'angle (PKN) vaut 37,75°. Dans le triangle (P, N,K) : cos (37,75°)= PK/NK d'où P=cos(37,75°)*NK = cos(37,75°)*95,84= 75,78pm dans le triangle (P,N,K) cos(52,25°)=PN/NK d'où PN=cos(52,25°)*NK= 58,67 pm Le barycentre des charges positives se trouve au milieu des deux atomes de d'hydrogène, à pratiquement 76 pm du centre d'un atome H et 59 pm du centre de l'atome O.

Nous avons réalisé ces maquettes pour modéliser la molécule d'eau et mettre en évidence sa polarité.

H H

O N

K K' P

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III.C)Visualisation du caractère polaire Pour affirmer la polarisation de la molécule d'eau, nous avons réalisé une expérience : on fait couler un léger filet d'eau d'un robinet, et on approche du filet une paille ou un autre objet préalablement chargé en électricité statique (nous avons frotté la paille contre nos cheveux). Lorsque la paille est suffisamment proche, le filet d'eau est dévié. La molécule d'eau contenue dans l'eau s'oriente en présence de la paille chargée de façon opposé : c'est à dire dont si la paille est chargée positivement, la molécule d'eau va s'orienter vers la paille de manière à exposer l'atome d'oxygène qui est électriquement négatif. Inversement si on utilise une baquette chargée négativement (baguette d'ébonite par exemple).

Cette expérience confirme donc la polarisation de la molécule d'eau. Remarque : Il existe des molécules qui contrairement à la molécule d'eau, n'ont pas ces propriétés (barycentres des charges positives et négatives non-confondus). Ces molécules sont dites apolaires. Il existe aussi d'autres molécules polaires que la molécule d'eau.

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IV/ Interaction entre les molécules d'eau et les ondes électromagnétiques Comme vu précédemment, la molécule d'eau est une molécule polaire. Elle réagit donc avec les ondes électromagnétiques émises dans le four.La molécule d'eau est stimulée par les ondes électromagnétiques, et sa rotation produit un dégagement de chaleur.

L'onde émise par le magnétron a une fréquence de 2450 MHz. Le champ va donc s'inverser 2.45 milliards de fois en une seconde ! La molécule d'eau qui s'oriente selon les lignes de force (schémas) effectue donc une rotation très rapide, ce qui provoque un dégagement de chaleur. Pour confirmer cela, nous avons réalisé une expérience. La molécule d'eau est polaire, contrairement à la molécule de cyclohexane qui est apolaire.

Molécule de Cyclohexane C6H12

But de l'expérience : On veut étudier l'échauffement de 2 liquides de composition différente : l'un est composé de molécules polaires (eau), l'autre de molécules apolaires (cyclohexane) Protocole : On place dans 2 béchers identiques le même volume de liquide (eau dans le bécher 1, cyclohexane dans le bécher 2).Ensuite, on place les 2 béchers sur le plateau tournant, plus précisément sur le même cercle. Ensuite, on ferme le four et l'on met le four en route.

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Conditions de l'expérience : ‒ Température ambiante : 20,4 °C

‒ Volume d'eau = volume de cyclohexane = 20 mL ‒ Sélection de la puissance sur le four : HIGH (émission constante) ‒ Temps de fonctionnement du four : 30 secondes.

Résultats obtenus :

Eau Cyclohexane

Température à t=0 (°C) 19,6 19,3

Température à t=30s (°C) 91 22

Les résultats sont donc concluants : la molécule d'eau est stimulée par les ondes électromagnétiques alors que le cyclohexane, molécule apolaire, ne l'est pas (la légère hausse de température peut être due à une petite quantité d'eau dans le cyclohexane ou à la convection de la chaleur de l'eau contenue dans l'autre bécher). Par sa polarité, la molécule d'eau réagit donc aux ondes électromagnétiques et provoque un dégagement de chaleur par sa rotation.

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V/ Consignes de sécurité et règles d'utilisation du four à micro-ondes Ces consignes sont celles données dans le manuel du four. Nous les avons sélectionnés, regroupées et explicités. Consignes de sécurité relatives à l’émission d’ondes électro – magnétiques : - « ATTENTION, rayonnement de micro-ondes. Ne pas s’exposer au rayonnement du générateur

de micro-ondes ou d’autres parties conduisant l’énergie »

- « Si l’appareil a subi des dommages visibles comme la déformation de la porte, ne pas l’utiliser mais appeler un technicien du service après vente »

- « Inspecter le four afin de repérer tout dommage, tel que des déformations ou une porte

cassée. N’installez pas l’appareil s’il est endommagé »

- « Ne pas chercher à faire fonctionner le four lorsque la porte est ouverte. Il est essentiel de ne pas annuler ou apporter des modifications aux dispositifs de verrouillage »

- « Si la porte ou le joint de porte est endommagé, le four ne doit pas être utilisé avant d’avoir

été remis en état par une personne qualifiée » - « En cas de détérioration des joints de porte ou des parties adjacentes, le four ne devra pas

fonctionner jusqu’à sa remise en état par un technicien qualifié du SAV »

Ces consignes permettent de garantir la sécurité des utilisateurs du four vis-à-vis de l’émission d’ondes électromagnétiques. En effet, ces ondes sont dangereuses et peuvent avoir certaines conséquences sur l’homme. Il ne faut donc surtout pas que des ondes s’échappent du four. C’est pour cela qu’il ne faut pas ouvrir la porte pendant le fonctionnement du four et qu’il faut maintenir le four en bon état, car une déformation de la cavité du four ou la détérioration d’un joint d’étanchéité peuvent entraîner des fuites d’ondes.

Consignes de sécurité concernant la cuisson des aliments dans le four : - « […] Des récipients en plastique ou carton peuvent être utilisés, ainsi que des plats surgelés

sous film plastique, sous réserve que ces films aient été percés avec une fourchette au préalable pour permettre à la vapeur de s’échapper »

- « Les liquides ou autres aliments ne doivent pas êtres chauffés dans des récipients hermétiques

car ils risquent d’exploser » - « Percer avec une fourchette la pelure des pommes de terre, pommes et tout autre fruit ou

légume recouvert d’une pelure, avant de les cuire » - « Les œufs dans leur coquille et les œufs durs entiers ne doivent pas êtres chauffés dans un

four à micro-ondes car ils risquent d’exploser, mêmes après la fin de cuisson » On ne doit donc placer aucun produit hermétique dans le four car il risquerait d’exploser pendant la cuisson. Prenons le cas de l’œuf : la coquille de l’œuf et hermétique. Une fois l’œuf placé dans le four, les molécules d’eau qu’il contient vont s’agiter et il va donc chauffer. La température à l’intérieur de l’œuf augmente, et de la vapeur se dégage, ce qui fait augmenter fortement la pression sur la coquille. L’œuf risque donc d’exploser si on le laisse assez longtemps dans le four en fonctionnement.

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Autres consignes : - « Tout ustensile métallique est à proscrire »

En effet, les ondes électromagnétiques font bouger les électrons des métaux, ce qui peut provoquer des étincelles dans le four, ce qui est dangereux pour l’appareil. De plus, le métal réfléchit les ondes, il est donc inutile d’essayer de faire chauffer un aliment dans un récipient en métal car l’aliment resterait froid. - « Ne pas utiliser le four quand celui-ci est sale, ou en présence d’eau condensée sur les parois.

Essuyez et laisser sécher avant utilisation » « Garder la cavité interne du four toujours propre et sèche » S’il y a des saletés dans le four, les ondes vont les chauffer, et si elles ne sont pas enlevées, elles risquent de brûler. De même, s’il y a de l’eau sur les parois du four, elle va se transformer en vapeur, ce qui peut être gênant dans certains cas. Il est donc préférable de toujours garder la cavité du four propre et sèche.

- « Le chauffage de boissons par micro-ondes peut provoquer un jaillissement brusque et différé

de liquide en ébullition » Ce phénomène de surchauffe , appelé flash boiling ou superheating en anglais, est d’autant plus impressionnant qu’il est dangereux. Il peut se produire lorsqu’on fait chauffer un liquide pendant une longue durée dans le four, et se traduit par l’explosion du liquide. En effet, il est possible que l’eau atteigne une température supérieure à 100 degrés, et cela sans formation de bulles, surtout lorsqu’on utilise un récipient très lisse et sans impuretés. Le liquide est alors instable, et une explosion peut alors se produire : soit pendant que le four fonctionne encore, soit (et c’est le plus dangereux !) en retirant le récipient du four. Cette explosion peut donc causer de graves brûlures. Remarque : ce phénomène peut aussi se produire à la suite du réchauffement d’un liquide dans le four lorsqu’on y ajoute trop rapidement de la poudre (par exemple du café en poudre). Pour éviter cette surchauffe et tout risque de brûlure, il est recommandé de ne pas utiliser de récipient neuf et très lisse pour faire chauffer un liquide. Sinon, on peut toujours placer un objet non métallique avec une surface non lisse dans le récipient. Il est aussi recommandé de ne pas faire chauffer de liquide trop longtemps dans le four. Le four à micro-ondes est donc, comme tout appareil électroménager, à utiliser en respectant certaines règles. En outre, l’émission d’ondes électromagnétiques à l’extérieur de la cavité du four peut s’avérer dangereuse, ainsi les consignes permettant d’éviter les fuites sont à prendre au sérieux par les utilisateurs.

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VI/ Conclusion

Le four à micro-ondes met donc en interaction les ondes électromagnétiques et les molécules polaires (principalement la molécule d'eau). Ces molécules, par leurs propriétés spécifiques (polarité), réagissent avec les ondes émises par le magnétron et dégagent de la chaleur. Or, les aliments sont composés essentiellement d'eau : ils vont donc chauffer lorqu'ils sont exposés aux ondes dans la cavité du four à micro-ondes.

Ainsi, le four à micro-ondes, par l'utilisation de propriétés physiques et par son fonctionnement spécifique, permet de chauffer les aliments que l'on place dans sa cavité.

Le but de notre étude à été de comprendre le fonctionnement du four ainsi que ses spécificités dans le réchauffement des aliments. Nous avons tout d'abord réalisé une première approche du four en étudiant sa structure et ses composants.Ensuite, nous avons entamé une démarche expérimentale en étudiant la cuisson d'aliments.Les résultats qualitatifs obtenus nous avons amené ensuite à réaliser d'autres expériences plus précises en essayant au maximum de se diriger vers le quantitatif. Cependant, nous avons été relativement limités par les conditions de sécurité à respecter durant le déroulement de ces expériences.

Notre démarche expérimentale nous a donc permis de découvrir, d'observer et de comprendre en détail le fonctionnement du four à micro-ondes, ses spécificités et les principes physiques mis en jeu dans le réchauffement des aliments.

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Notre parcours : du TPE aux Olympiades de la physique

Notre parcours a commencé lors des TPE de première S. Le premier pas à franchir était le choix d'un sujet, ce qui n'a pas été simple vu la multitude de sujets possibles. Après avoir hésité entre plusieurs, nous avons choisi de faire l'étude d'un objet de la vie courante : le four à micro-ondes. En effet, beaucoup de personnes en possèdent un et l'utilisent au quotidien mais il s'est avéré que lorsque nous avons demandé à certains utilisateurs de nous expliquer comment il parvient à réchauffer les aliments, aucun n'a pu nous répondre exactement ! Le fait d'étudier un objet dont le fonctionnement reste « mystérieux » pour la plupart des gens au lieu d'un sujet « classique » nous a beaucoup motivé dans notre recherche. Une fois le TPE terminé (in-extremis, comme assez souvent lors de notre parcours...), le passage à l'oral devant le jury s'est très bien déroulé (mis à part le temps de passage : encore un problème de temps !). Après l'oral, nous pensions que nous n'aurions plus jamais à étudier le four... et nous étions bien loin d'imaginer la suite de nos « aventures » ! Un membre du jury a fait par de notre prestation à notre professeur de physique chimie qui nous a alors proposé de participer à un concours de TPE. Nous avons donc saisi cette opportunité et accepté. Ce concours se déroula à l'UFR Sciences et Techniques, à Besançon. Plusieurs groupes de première S étaient présents, avec des sujets variés comme la formation des trous noirs ou la correction de la myopie par rayon laser. Nous avons ainsi remporté le 1er prix de ce concours, avec à la clé un voyage à Paris avec visite du Palais de la Découverte ! Le voyage s'est très bien passé, et la visite du Palais de la Découverte s'est avérée très intéressante : les expériences présentées sont simples à comprendre mais très captivantes ! Lors du concours de TPE à Besançon, nous avons fait la rencontre de Mme Fischer qui nous a parlé des Olympiades de la Physique. Nous n'avions pas du tout envisagé d'y participer, à vrai dire cela nous paraissait plutôt inaccessible. Mais pendant le voyage à Paris, Mme Fischer nous en a reparlé et nous avons alors décidé d'en parler avec Mme Studer, notre professeur de physique-chimie. C'est ainsi que nous nous sommes inscrits aux Olympiades de la Physique, 13ème édition ! Nous avons alors repris l'étude du four à micro-ondes en nous basant sur notre ancien TPE. Mais nous avons proposé une nouvelle démarche expérimentale plus approfondie, en partant de nos résultats antérieurs. Notre étude est maintenant bien loin de celle réalisée lors de notre ancien TPE ! Après avoir été sélectionné au concours inter-académique du 7 décembre, nous voilà donc de retour au Palais de la Découverte, mais cette fois-ci, à nous de présenter nos expériences !