Principe de fonctionnement et schéma du magnétron du four à micro-ondes

Les fours à micro-ondes sont devenus monnaie courante dans les ménages et sont désormais considérés comme un appareil essentiel dans tout appartement. Ces appareils permettent de réchauffer ou de cuire rapidement des aliments grâce à des rayonnements invisibles. Cependant, pour comprendre la source et la sécurité de ces rayonnements pour l'homme, il est important de comprendre le fonctionnement du magnétron du four à micro-ondes – le générateur d'ondes à haute fréquence.

En comprenant le fonctionnement interne et le principe de fonctionnement du magnétron du four à micro-ondes, les individus peuvent acquérir des connaissances sur l'origine et les risques potentiels associés aux rayonnements émis par cet appareil ménager.

Qu'est-ce qu'un four à micro-ondes et comment réchauffe-t-il les aliments ?

Les micro-ondes sont une forme de rayonnement électromagnétique caractérisé par une longueur d'onde comprise entre 1 mm et 1 m. Ce type particulier de rayonnement a diverses fonctions, qui ne se limitent pas à un usage domestique, mais trouvent également des applications dans les systèmes de navigation et de radar, ainsi que dans les communications cellulaires et la télévision par satellite.

Les micro-ondes peuvent être d'origine naturelle, comme celles émises par le Soleil, ou d'origine artificielle. Ils sont également connus sous le nom de rayonnement à ultra-haute fréquence (UHF).

Tous les fours à micro-ondes domestiques fonctionnent à une fréquence d'émission spécifique de 2 450 MHz, qui est une norme internationalement reconnue. Les fabricants d'appareils ménagers doivent se conformer à cette fréquence pour s'assurer que leurs produits n'interfèrent pas avec d'autres appareils à micro-ondes.

Le physicien américain Percy Spencer a découvert l'effet thermique des micro-ondes en 1942. Il a obtenu un brevet pour un appareil générant des micro-ondes et pouvant être utilisé pour la cuisine, ce qui a marqué le début de l'utilisation des fours à micro-ondes dans les ménages.

Au cours des années suivantes, cette technologie a été améliorée, ce qui a permis la production en masse d'appareils abordables et efficaces pour réchauffer rapidement les aliments.

Pour chauffer efficacement une substance dans un four à micro-ondes, celle-ci doit contenir des molécules dipolaires, c'est-à-dire des molécules qui possèdent des charges électriques opposées à leurs extrémités.

La principale source d'eau dans les aliments est le principal facteur contribuant à ces processus. Lorsqu'elles sont exposées à un rayonnement à ultra-haute fréquence, ces molécules s'alignent sur le champ électromagnétique, modifiant leur orientation environ 5 milliards de fois par seconde. Ce mouvement constant crée une friction entre les molécules, ce qui génère de la chaleur qui cuit efficacement les aliments.

Néanmoins, la profondeur de pénétration des micro-ondes est limitée à environ 2 à 3 cm de la surface de l'aliment. Par conséquent, tout ce qui se trouve en dessous de cette couche dépend de la conduction de la chaleur des régions chauffées pour la cuisson.

Utilisation d'un micro-ondes pour chauffer des aliments

Le dispositif du magnétron et son application

Le magnétron est la principale source d'oscillations à ultra-haute fréquence dans la plupart des types d'équipements à micro-ondes. D'autres dispositifs, tels que les klystrons et les platinotrons, qui fonctionnent sur un principe similaire, n'ont pas été aussi largement utilisés. Le magnétron a été utilisé pour la première fois dans les fours à micro-ondes en 1960. Le magnétron multirésonateur est le type de magnétron le plus couramment utilisé dans la technologie ; il se compose de plusieurs éléments :

1. L'anode, un cylindre de cuivre divisé en secteurs aux parois métalliques épaisses. Ces cavités volumétriques servent de résonateurs, formant un système d'oscillations en anneau. L'anode est soumise à une tension d'environ 4 000 volts.
2. La cathode, située au centre du magnétron, se présente sous la forme d'une structure cylindrique contenant un filament. Ce composant est responsable de l'émission d'électrons, obtenue en appliquant une tension de 3 volts à l'élément chauffant (filament).
3. Des aimants en anneau, qui peuvent être des électro-aimants ou des aimants permanents de forte puissance, sont placés aux extrémités de l'appareil. Ces aimants sont essentiels pour créer un champ magnétique parallèle à l'axe du magnétron, ce qui permet aux électrons de se déplacer dans la même direction.
4. Une boucle de fil est connectée à la cathode, ancrée dans le résonateur, et s'étend jusqu'à l'antenne émettrice. Cette boucle a pour but de guider le rayonnement à ultra-haute fréquence dans le guide d'ondes, ce qui lui permet de passer directement dans la chambre à micro-ondes.

En raison de leur conception simple et de leur faible coût, les magnétrons ont trouvé de nombreuses applications dans divers domaines, les plus courantes étant les suivantes :

• Fours à micro-ondes. Outre leur capacité à cuire et décongeler rapidement les aliments dans les fours domestiques, les magnétrons facilitent également les tâches industrielles. Un four à micro-ondes industriel peut être utilisé pour chauffer, sécher, fondre, rôtir, etc. Il est important de noter que les micro-ondes ne doivent pas être utilisées à vide, car le rayonnement ne sera pas absorbé et pourrait endommager le guide d'ondes.
• En matière de radar, il existe un composant vital qui joue un rôle important dans le fonctionnement du système : l'antenne radar. Reliée à un guide d'ondes, cette antenne prend la forme d'un irradiateur conique et fonctionne en tandem avec un réflecteur parabolique, souvent appelé "parabole". L'antenne joue un rôle essentiel dans l'émission et la réception des signaux.

Les magnétrons dans les radars

Principe de fonctionnement du magnétron

Le magnétron fonctionne en convertissant l'énergie électrique en un rayonnement électromagnétique à très haute fréquence, qui provoque le mouvement des molécules d'eau des aliments. Les molécules dipolaires, qui changent constamment de direction, génèrent de la chaleur, ce qui permet de chauffer rapidement les aliments tout en conservant leurs propriétés bénéfiques. Le magnétron est le dispositif responsable de la génération des micro-ondes.

Un magnétron est un type de vanne électrique qui utilise le processus d'émission thermoélectronique. Ce processus se produit lorsque la surface de l'émetteur ou de la cathode est chauffée, ce qui a pour effet de faire sortir les électrons les plus actifs de la surface. Toutefois, cela ne se produit que lorsqu'une tension est appliquée à l'anode. Lorsque cette tension est appliquée, un champ électrique est créé et les électrons commencent à se déplacer vers l'anode le long de ses lignes de force. Si les électrons sont touchés par un champ magnétique, leur trajectoire sera déviée dans la direction des lignes du champ magnétique.

L'anode du magnétron est conçue comme un cylindre qui contient des cavités, ou résonateurs, abritant une cathode avec un filament. Positionnés sur les bords de l'anode, deux aimants en anneau génèrent un champ magnétique interne. Ce champ modifie la trajectoire des électrons, qui gravitent autour de la cathode au lieu de se diriger directement vers l'anode. Lorsque les électrons passent devant les résonateurs, ils transfèrent une partie de leur énergie pour induire la création d'un champ ultra-haute fréquence robuste à l'intérieur des cavités. Ce champ est ensuite émis vers l'extérieur par une boucle de fil reliée à une antenne-émetteur.

Pour activer le magnétron, l'anode doit être alimentée par une haute tension d'environ 3 à 4 000 volts. Le magnétron est donc connecté à l'alimentation électrique domestique à l'aide d'un transformateur à haute tension. En outre, les circuits du four à micro-ondes comprennent un guide d'ondes pour la transmission du rayonnement à l'intérieur de la chambre, un circuit de commutation, une unité de commande, ainsi que des composants de protection et de refroidissement. En outre, les parois intérieures de la chambre et une fine grille métallique sur la porte de l'appareil servent à contenir le rayonnement à l'intérieur de ses limites.

Illustration du schéma du magnétron

Comment le magnétron affecte-t-il la puissance des micro-ondes ?

De nombreux fabricants de fours à micro-ondes contemporains offrent désormais la possibilité de sélectionner la puissance de l'appareil. Le mode de fonctionnement (décongélation ou chauffage) et la vitesse à laquelle les aliments sont chauffés dépendent de ce paramètre. Malheureusement, en raison des caractéristiques de conception du magnétron, sa puissance ne peut pas être réduite. Pour réduire l'intensité du chauffage, le magnétron est alimenté en électricité à des intervalles spécifiques. Ces pauses dans le fonctionnement du magnétron peuvent être observées en allumant le micro-ondes à puissance moyenne et en écoutant son bruit.

Récemment, plusieurs fabricants d'appareils électroménagers ont annoncé qu'ils avaient introduit plusieurs modèles de fours à micro-ondes utilisant un système d'alimentation à inverseur. La mise en œuvre de ce système permet non seulement d'augmenter l'espace utilisable dans la chambre en réduisant la taille de l'émetteur, mais aussi de réduire la consommation électrique globale de l'appareil. Contrairement aux modèles traditionnels, les fours à inverseur permettent de régler la température de chauffe en douceur, mais leur prix est nettement plus élevé.

Refroidissement et protection du magnétron

Pendant son fonctionnement, le magnétron génère une quantité importante de chaleur, ce qui nécessite l'installation d'un radiateur sur son corps pour dissiper la chaleur. La surchauffe étant la première cause de défaillance du magnétron, des mesures supplémentaires sont mises en œuvre pour le protéger :

1. Relais du thermostat. Ce dispositif protège à la fois le magnétron et la grille (si le modèle en est équipé). Équipé d'une plaque bimétallique, le relais thermostatique peut être réglé à une température spécifique. Si la température dépasse ce seuil, la plaque se plie, ce qui ouvre le circuit d'alimentation.
2. Ventilateur. Outre le refroidissement du radiateur magnétron, le ventilateur remplit également d'autres fonctions utiles, telles que le refroidissement des composants électroniques de l'appareil, la promotion de la circulation de l'air à l'intérieur de la chambre pendant le fonctionnement du gril et l'expulsion de la vapeur chaude par des évents dédiés.
3. Mécanisme de verrouillage. La porte du micro-ondes est équipée de plusieurs micro-interrupteurs qui empêchent le magnétron d'être activé lorsque la porte est ouverte.

Le magnétron peut-il être remplacé ?

L'un des principaux avantages des magnétrons modernes utilisés dans les fours à micro-ondes domestiques est leur interchangeabilité. Les magnétrons produits par différentes entreprises peuvent être utilisés sur différents modèles de micro-ondes, ce qui permet de les remplacer facilement en cas de besoin. La seule exigence dans ce cas est de s'assurer que les spécifications de puissance sont compatibles. Pour acheter un magnétron, on peut se rendre dans de nombreux magasins d'électronique ; toutefois, il est important de comprendre les paramètres et l'étiquetage afin de faire le bon choix. Les modèles de magnétron suivants sont couramment utilisés dans les micro-ondes :

• 2M 213 (puissance nominale de 600 W et 700 W en charge) ;
• 2M 214 (avec une puissance de 1000 W) ;
• 2M 246 (avec la puissance la plus élevée de 1150 W).

Il n'est pas conseillé de remplacer le magnétron à la maison, même après avoir étudié attentivement tous les paramètres essentiels de l'appareil. Le magnétron ne peut être remplacé que par un spécialiste qualifié : d'une part, il peut être difficile de l'enlever seul et, d'autre part, il faut s'assurer qu'il fonctionne en toute sécurité après l'installation.

Configuration moyenne du magnétron

Diagnostic des défauts et de leurs causes

Pour ne pas gaspiller de l'argent dans un nouvel appareil, il est important de diagnostiquer l'ancien avant d'investir dans un magnétron de remplacement. Cette opération peut être effectuée à domicile à l'aide d'un testeur ordinaire pour vérifier s'il y a des défauts. Pour ce faire, suivez les étapes suivantes :

1. Débranchez d'abord le micro-ondes de l'alimentation électrique.
2. Retirez ensuite le couvercle de protection et procédez à une inspection visuelle de la pièce.
3. À l'aide d'un testeur ou d'un multimètre, testez les principaux éléments de la carte de circuit imprimé.
4. N'oubliez pas d'inspecter également le relais thermique.

Une fois le diagnostic terminé, il est possible de tirer des conclusions quant à la défaillance de certains composants. Les principales causes de défaillance du magnétron peuvent être attribuées aux éléments suivants :

• Défaillance du capuchon du tube à vide. Vous pouvez le remplacer vous-même en trouvant un bouchon similaire sur un autre magnétron. Les sièges du couvercle ont une configuration standard.
• Rupture de l'élément chauffant. Lorsque le micro-ondes est allumé sans rien à l'intérieur ou avec un chargement incorrect, le magnétron peut surchauffer, provoquant un échauffement excessif du filament et une éventuelle rupture. Pour diagnostiquer ce problème, il faut mesurer la résistance entre les pattes du condensateur. Si la valeur se situe entre 5 et 7 ohms, l'élément chauffant est encore fonctionnel.
• Rupture du condensateur de passage. Si le testeur n'indique pas un "infini", il est possible d'en tirer des conclusions Si la valeur de résistance entre ses contacts est trop élevée, le condensateur doit être remplacé.