Les ondes
1) Les micro-ondes
Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques qui ont une longueur d'onde comprise entre les ondes infrarouges et les ondes radio. Ces dernières s'étalent environ de 3mm à 30cm de longueur d'onde pour une fréquence comprise entre 1 et 100 GHz (ces limites ne sont pas clairement définies car elles dépendent du champ d'étude).
Ces ondes peuvent être créées par le magnétron (comme nous l'avons vu dans la partie précédente), mais aussi par d'autres tubes à vide tel que le Klystron, le Gyrotron ou encore le tube à ondes progressives. Dans le cas du four à micro-ondes, les fabricants utilisent pour la majeure partie le magnétron.
Ce sont ces ondes qui intéragissent directement avec la molécule d'eau et donc qui entraînent la cuisson de l'aliment, mais nous verrons ce principe plus en détail dans la partie suivante.
Cependant, ces dernières ne sont pas seulement utilisées pour la cuisson des aliments. En effet, les micro-ondes sont aussi utilisées avec les radars, les systèmes Wi-Fi ou Bluetooth, les télécommunications mais aussi dans le secteur militaire. Ce dernier secteur n'est pas là pour rien, car en effet les micro-ondes peuvent être dangereuses pour la santé humaine. Une étude datant de 2011 provenant de l'Organisation Mondiale de la Santé montre que celles-ci pouvaient être cancérigènes pour l'être humain.
2) Les ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques décrivent le phénomène des rayonnements électromagnétiques, c'est-à-dire que celles-ci sont le résultat de l'association des vibrations d'un champ électrique (noté vecE) et d'un champ magnétique (noté vecB). James Clark Maxwell, grâce aux équations de Maxwell, a été l'un des premiers à prouver l'existence de ces ondes. On doit au physicien néerlandais Hendrik Antoon Lorentz les travaux sur la force de Lorentz, avec lesquels on a ainsi pu voir apparaître d'importantes formules pour calculer la force du champ électromagnétique.
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Voici la formule pour calculer la force du champ électrique :
vecFélectrique = q x vecE
Voici la formule pour calculer la force du champ magnétique :
vecFmagnétique = q x vecv ∧ vecB
On en déduit alors la formule du champ électromagnétique :
vecF = q x vecE + q x vecv ∧ vecB
Pour ces trois formules on a :
- vecFélectrique et vecFmagnétique sont les vecteurs respectivement des champ électrique et magnétique pris au point où se trouve la particule
- q est la charge électrique non nulle en Coulomb (C)
- Le vecteur vecv représente la vitesse de la particule dans le référentiel d'étude
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Schéma représentant une onde électromagnétique :
Celles-ci possèdent plusieurs propriétés très importantes. Tout d'abord, elles se déplacent dans le vide à la vitesse constante de 299 792 458 m/s (soit environ 3,00 x 10^8 m/s) c'est-à-dire la vitesse de la lumière. Comme nous pouvons le voir sur le schéma ci-dessus, elles se déplacent sur un repère en trois dimensions avec le plan du champ magnétique qui est perpendiculaire au plan du champ électrique.
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Voici la formule mettant en relation la vitesse de propagation d'une onde avec la longueur d'onde et la fréquence de l'onde :
f = c / λ
Avec c = 3,00 x 10^8 m/s f en Hertz (Hz) λ en mètre (m)
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Ainsi on définit une onde selon plusieurs de ses caractéristiques : sa célérité (la vitesse de la lumière, en m/s), sa longueur d'onde (par exemple à 500 nm nous sommes dans le domaine de la lumière visible tandis qu'à 32 cm nous sommes dans le domaine des ondes radio), sa période (la durée T que met un motif élémentaire avant de se reproduire), et sa fréquence (par exemple : 10 GHz et c'est une micro-onde, 50 EHz et c'est un rayon gamma).
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Voici deux formules permettant de retrouver par calcul toutes ces caractéristiques :
T = λ / c et f = 1 / T
Avec T en seconde (s) λ en mètre (m) c = 3,00 x 10^8 m/s
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Enfin, pour finir sur une connotation pédagogiquement plus amusante, savez-vous pourquoi il ne faut jamais mettre de métal dans un micro-onde? Les ondes électromagnétiques sont ici justement en cause. En effet, une autre propriété des ondes électromagnétiques est qu'elles sont reflétées par les objets métalliques. Ainsi, lorsque vous mettez malencontreusement une fourchette dans un four à micro-onde, le métal (un excellent conducteur d'électricité) en réaction avec les ondes électromagnétiques va créer des gradients au niveau du champ électrique, ce qui se traduit par l'apparition de petites étincelles voire pire. Nous n'avons pas voulu prendre le risque de réaliser cette expérience.
Ainsi, voici l'expérience réalisée et filmée par une certaine Anaïs Equey :
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