Como o magnetron funciona e funciona

Magnetron - um dispositivo eletrônico especial no qual a geração de oscilações de frequência ultra-alta (oscilações de micro-ondas) é realizada modulando o fluxo de elétrons em termos de velocidade. Os magnetrons expandiram muito o campo de aplicação do aquecimento com correntes de alta e ultra-alta frequência.

Amplitrons (platinotrons), klystrons e lâmpadas de ondas viajantes baseadas no mesmo princípio são menos comuns.

O magnetron é o gerador mais avançado de frequências de microondas de alta potência. É uma lâmpada bem evacuada com um feixe de elétrons controlado por um campo elétrico e magnético. Eles permitem obter ondas muito curtas (até frações de centímetro) em potências significativas.

Magnetrons usam o movimento de elétrons em campos elétricos e magnéticos mutuamente perpendiculares criados no espaço anular entre o cátodo e o ânodo. Uma tensão anódica é aplicada entre os eletrodos, criando um campo elétrico radial sob a influência do qual os elétrons removidos do cátodo aquecido correm para o ânodo.

O bloco do ânodo é colocado entre os pólos de um eletroímã, que cria um campo magnético na lacuna anular direcionado ao longo do eixo do magnetron. Sob a influência de um campo magnético, o elétron se desvia da direção radial e se move ao longo de uma trajetória espiral complexa. No espaço entre o cátodo e o ânodo, forma-se uma nuvem de elétrons rotativa com línguas, lembrando o cubo de uma roda com raios. Passando pelas ranhuras dos ressonadores da cavidade do ânodo, os elétrons excitam oscilações de alta frequência neles.

Arroz. 1. Bloco de ânodo magnético

Cada um dos ressonadores de cavidade é um sistema oscilatório com parâmetros distribuídos. O campo elétrico está concentrado nas ranhuras e o campo magnético está concentrado dentro da cavidade.

A energia de saída do magnetron é realizada por meio de um loop indutivo colocado em um ou mais frequentemente em dois ressonadores adjacentes. O cabo coaxial fornece energia para a carga.

Arroz. 2. Dispositivo magnético

O aquecimento com correntes de micro-ondas é realizado em guias de ondas de seção transversal circular ou retangular ou em ressonadores de volume nos quais ondas eletromagnéticas as formas mais simples TE10 (H10) (em guias de onda) ou TE101 (em ressonadores de cavidade). O aquecimento também pode ser feito emitindo uma onda eletromagnética para o objeto de aquecimento.

Magnetrons são alimentados por corrente retificada com um circuito retificador simplificado. Unidades de energia muito baixa podem ser alimentadas por CA.

Os magnetrons podem operar em diferentes frequências de 0,5 a 100 GHz, com potências de alguns W a dezenas de kW em modo contínuo e de 10 W a 5 MW em modo pulsado com durações de pulso principalmente de frações a dezenas de microssegundos.

Arroz. 2. Magnetron em um forno de micro-ondas

A simplicidade do dispositivo e o custo relativamente baixo dos magnetrons, aliados a altas intensidades de aquecimento e diversas aplicações de correntes de micro-ondas, abrem grandes perspectivas para sua utilização em diversos ramos da indústria, agricultura (por exemplo, na instalações de aquecimento dielétrico) e em casa (microondas).

operação do magnetrão

Então é o magnetrão lâmpada elétrica um projeto especial usado para gerar oscilações de frequência ultra-alta (na faixa de ondas decimétricas e centimétricas). Sua característica é o uso de um campo magnético permanente (para criar os caminhos necessários para o movimento dos elétrons dentro da lâmpada), de qual o magnetron tem o seu nome.

O magnetron multicâmara, cuja ideia foi proposta pela primeira vez por M. A. Bonch-Bruevich e realizada pelos engenheiros soviéticos D. E. Malyarov e N. F. Alekseev, é uma combinação de um tubo de elétrons com ressonadores de volume. Existem vários desses ressonadores de cavidade em um magnetron, e é por isso que esse tipo é chamado de multicâmara ou multicavidade.

O princípio de projeto e operação de um magnetron multicâmara é o seguinte. O ânodo do dispositivo é um cilindro oco maciço, em cuja superfície interna são feitas várias cavidades com orifícios (essas cavidades são ressonadores de volume), o cátodo está localizado ao longo do eixo do cilindro.

O magnetron é colocado em um campo magnético permanente direcionado ao longo do eixo do cilindro. Os elétrons que escapam do cátodo no lado deste campo magnético são afetados por força de Lorentz, que desvia o caminho dos elétrons.

O campo magnético é escolhido de forma que a maioria dos elétrons se mova ao longo de caminhos curvos que não tocam o ânodo. Se as câmeras do dispositivo (ressonadores de cavidade) aparecerem vibrações elétricas (pequenas flutuações de volumes sempre ocorrem por vários motivos, por exemplo, como resultado da ativação da tensão do ânodo), existe um campo elétrico alternado não apenas dentro das câmaras, mas também fora, perto dos orifícios (slots).

Os elétrons que voam perto do ânodo caem nesses campos e, dependendo da direção do campo, aceleram ou desaceleram neles. Quando os elétrons são acelerados por um campo, eles retiram energia dos ressonadores, ao contrário, quando são desacelerados, cedem parte de sua energia aos ressonadores.

Se o número de elétrons acelerados e desacelerados fosse o mesmo, então, em média, eles não forneceriam energia aos ressonadores. Mas os elétrons, que são desacelerados, têm uma velocidade menor do que quando se movem para o ânodo. Portanto, eles não têm mais energia suficiente para retornar ao cátodo.

Ao contrário, aqueles elétrons que foram acelerados pelo campo ressonador possuem então energia maior do que a necessária para retornar ao cátodo. Portanto, os elétrons que, entrando no campo do primeiro ressonador, são acelerados nele, retornarão ao cátodo, e aqueles que são desacelerados nele não retornarão ao cátodo, mas se moverão ao longo de caminhos curvos perto do ânodo e cairão no campo dos seguintes ressonadores.

Em uma velocidade de movimento adequada (que está de alguma forma relacionada à frequência das oscilações nos ressonadores), esses elétrons cairão no campo do segundo ressonador com a mesma fase de oscilações que no campo do primeiro ressonador, portanto , no campo do segundo ressonador , eles também vão desacelerar.

Assim, com uma escolha adequada da velocidade do elétron, ou seja,tensão do ânodo (assim como o campo magnético, que não altera a velocidade do elétron, mas muda sua direção), é possível alcançar tal situação que um elétron individual será acelerado pelo campo de apenas um ressonador, ou desacelerado pelo campo de vários ressonadores.

Portanto, os elétrons darão, em média, mais energia aos ressonadores do que deles retirarão, ou seja, as oscilações que ocorrerem nos ressonadores aumentarão e, eventualmente, neles se estabelecerão oscilações de amplitude constante.

O processo de manutenção das oscilações nos ressonadores, considerado por nós de forma simplificada, é acompanhado por outro fenômeno importante, pois os elétrons, para serem desacelerados pelo campo do ressonador, devem voar para este campo em uma determinada fase de oscilação do ressonador, obviamente é que eles devem se mover em um fluxo não uniforme (t. então eles entrariam no campo do ressonador a qualquer momento, não em determinados momentos, mas na forma de feixes individuais.

Para isso, todo o fluxo de elétrons deve ser como uma estrela, na qual os elétrons se movem dentro de feixes separados, e toda a estrela como um todo gira em torno do eixo do magnetron a uma velocidade tal que seus feixes entram em cada câmara em os momentos certos. O processo de formação de feixes separados no feixe de elétrons é chamado de focalização de fase e é realizado automaticamente sob a ação do campo variável dos ressonadores.

Os magnetrons modernos são capazes de criar vibrações até as frequências mais altas na faixa de centímetros (ondas de até 1 cm e até mais curtas) e fornecer energia de até várias centenas de watts com radiação contínua e várias centenas de quilowatts com radiação pulsada.

Veja também:Exemplos do uso de ímãs permanentes em engenharia elétrica e energia