Expérience à la maison : four micro-ondes et chocolat

Aujourd’hui, nous te proposons une petite expérience hyper simple : mesurer la vitesse de la lumière avec un four micro-ondes et du chocolat (ou du fromage, ou n’importe quoi qui fond facilement et qui ne salit pas trop le four). Demande à tes parents de superviser l’expérience si tu n’as pas le droit d’utiliser le four tout(e) seul(e). Les explications sont peut-être un peu compliquées. Si tu ne comprends pas, n’hésite pas à nous poser des questions !

Commençons par la première partie de l’expérience, on verra après pour les explications :

  • Commence par retirer le plateau tournant (les roulements sous l’assiette en verre).
  • Dépose ensuite le chocolat ou le fromage (ou les deux mais ce sera immangeable après) sur une assiette, ferme le four et fait le fonctionner environ 20 secondes à puissance normale.
  • Sors l’assiette. Tu devrais voir des zones fondues et d’autres non fondues, comme sur la photo ci-dessous. Si rien n’est fondu, recommence l’expérience en laissant l’assiette deux fois plus longtemps.
Une barre chocolatée après passage dans un micro-ondes, crédits: Philosophy of Science Portal
Une barre chocolatée après passage dans un micro-ondes, crédits: Philosophy of Science Portal

Tu remarqueras que le chocolat est fondu à certains endroits précis, comme sur la photo. Pour comprendre pourquoi, il faut tout d’abord comprendre comment le four à micro-ondes fonctionne. Si tu es pressé de manger, mesure l’écart entre deux zones fondues au préalable. Ne te brûle pas et lis la suite !

Le four à micro-ondes et les molécules d’eau

Représentation d'une molécule d'eau, crédits: R.Bichac
Représentation d’une molécule d’eau, crédits: R.Bichac

Pour réchauffer ou cuire des aliments, le four à micro-ondes exploite une propriété particulière des molécules d’eau contenues dans les aliments. Ces molécules sont comme de minuscules aimants qui ont un pôle positif et un pôle négatif. En présence d’un champ électromagnétique oscillant, elles s’orientent selon les lignes de champs, comme si on bougeait un gros aimant devant elles.  Dire qu’il y a un champ électromagnétique quelque part, cela veut simplement dire qu’il y a des ondes électromagnétiques (on en parlera plus tard).  Rien que dans ta chambre, il y a plusieurs champs : un champ de température de l’air par exemple, un champ électromagnétique crée par les appareils électriques, et avec un peu de chance, il y a aussi un joli champ de jouets !

Le four à micro ondes créé un champ électromagnétique qui tourne et change de direction 2,45 milliards de fois en une seconde. Les molécules d’eau essaient de faire pareil mais n’y arrivent pas très bien, elles s’agitent et s’énervent, dégagent de la chaleur et réchauffent les aliments. Les autres molécules présentes n’ont pas de pôles négatifs ou positifs et sont pratiquement insensibles aux oscillations du champ électromagnétique. Voyons maintenant ce qu’est ce champ électromagnétique.

Le champ et les ondes électromagnétiques

Comment se fait il que le chocolat soit liquide en certaines zones et pas d’autres? Pour répondre à cette question, il va falloir parler un tout petit peu des ondes. Une onde est la propagation d’une perturbation qui affecte sur son passage les propriétés du milieu. Cela peut être une variation de pression (onde acoustique), de hauteur (vague dans la mer) ou même un ralentissement sur l’autoroute. Les ondes émises dans le four sont des ondes électromagnétiques, c’est à dire qu’elles affectent les champs électriques et magnétiques. Elles ont cette forme:

Représentation d'une onde électromagnétique.
Représentation d’une onde électromagnétique.

Elles provoquent des variations continues du champ en tout point du four avec une fréquence de 2,45 Giga Hertz, c’est-à-dire que le champ change totalement de direction 2 milliards 450 millions de fois par seconde. Cela signifie que, si en un point, à un instant, le champ est maximal et orienté vers le haut (comme la flèche rouge à gauche sur le schéma), alors il sera de nouveau maximal et orienté vers le haut 0,4 milliardièmes de secondes plus tard (1 divisé par 2 450 000 000). Sur l’illustration, on voit également la longueur d’onde (notée λ, prononcée Lambda)  qui correspond à la distance entre deux états identiques de l’onde (2 maximums par exemple).

Comme ces ondes sont émises dans une enceinte fermée, elles sont réfléchies par les parois et se superposent, créant des ondes dites « stationnaires ». Au lieu de varier continuellement au cours du temps, le champ prend des valeurs nulles et maximales en certains points fixes. Pour reprendre l’exemple des vagues, c’est comme si elles se figeaient et restaient tout le temps au même endroit. Cette petite animation permet de visualiser le phénomène, on peut y voir deux ondes se propageant en sens contraire. L’onde résultante (la superposition des ondes rouge et bleue, est une onde stationnaire.

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Onde stationnaire, crédits: Wikipédia

Les points où le champ est nul sont appelés « nœuds » et les points où le champ est maximal, « ventres ». A proximité des nœuds, le champ est très faible voire nul. Les molécules d’eau ne sont donc pas très agitées et la température peu élevée. Ceci a pour effet de créer des zones plus ou moins fondues dans le chocolat. Pour remédier à ce problème, les fabricants équipent leurs fours d’un plateau tournant et de dispositifs de diffraction (les petits trous et les renfoncements à l’intérieur).

Calcul de la vitesse de la lumière

L'onde stationnaire dans le micro-onde, crédits: ces trois mecs
L’onde stationnaire dans le micro-onde

En mesurant la distance qui sépare deux zones fondues, tu as mesuré la distance entre 2 ventres, c’est à dire la moitié de la longueur d’onde de l’onde stationnaire (voir schéma ci-contre). Normalement, tu devrais mesurer une longueur d’onde d’environ 2 x 6 = 12 cm (0,12 m). Maintenant, il va falloir utiliser cette petite formule pour estimer la vitesse de la lumière:

 λ = c / f

c est la vitesse de la lumière, λ (Lambda) la longueur d’onde et f, la fréquence. La vitesse de la lumière est donc égale à λ multiplié par f :

 0,12 x 2 450 000 000 = 294 000 000 m.s-1

ce qui est une assez bonne estimation de la vitesse de la lumière (299 792 458 m.s-1), compte tenu de l’imprécision du dispositif !

Voilà, c’est fini pour aujourd’hui !

Une petite anecdote pour finir : l’idée du four à micro-ondes revient à Percy Spencer, un ingénieur de la firme Raytheon, spécialisée dans les radars. En travaillant à proximité d’un radar (qui fonctionne avec des micro-ondes), il s’aperçoit que la barre chocolatée dans sa poche commence à fondre et que les conditions de sécurité sur son lieu de travail laissent à désirer. Il dépose en 1945 un brevet pour un nouveau type de four : le « radarange« , qui deviendra plus tard le four à micro-ondes !

Auteur : Karim du blog Sweet Random Science

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