Microondas Magnetron | Construcción y aplicaciones | Son más de 4 fases importantes

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Puntos de discusión: microondas magnetrón

Introducción al microondas magnético | ¿Qué es Magnetron?

Un magnetrón es una especie de tubo de microondas. Antes de discutir el magnetrón y sus temas relacionados, descubramos algunas de las definiciones básicas.

Tubos de microondas: Los tubos de microondas son dispositivos que generan microondas. Son los cañones de electrones que producen tubos de haz lineal.

Ahora, la definición de Magnetron se da como:

Microondas El magnetrón es un tipo de tubo de vacío que genera señales del rango de frecuencia de microondas, con la ayuda de interacciones de un campo magnético y haces de electrones.

El tubo de magnetrón consume mucha energía y su frecuencia depende de la dimensión física de las cavidades de los tubos. Existe una diferencia principal entre un magnetrón y otros tipos de tubos de microondas. Un magnetrón funciona solo como oscilador pero no como amplificador, pero un Klystron (un tubo de microondas) puede funcionar como amplificador y como oscilador.

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Un microondas magnetrón típico, Crédito de la imagen: Página de trabajo de inicio de HCRS, Magnetrón1CC BY-SA 2.0 EN

Una breve historia del microondas magnetrón

Siemens Corporation desarrolló el primer magnetrón en el año 1910 con la guía del científico Hans Gerdien. El físico suizo Heinrich Greinacher descubre la idea del movimiento de los electrones en el campo eléctrico y magnético cruzado a partir de sus propios experimentos fallidos de cálculo de la masa de electrones. Desarrolló el modelo matemático alrededor del año 1912.

En los Estados Unidos, Albert Hull comenzó a trabajar para controlar los movimientos de los electrones utilizando un campo magnético en lugar de utilizar el campo electrostático convencional. El experimento se inició para eludir la patente de 'triodo' de Western's Electric.

Hull desarrolló un dispositivo casi como un magnetrón, pero no tenía la intención de generar señales de frecuencias de microondas. El físico checo August Žáček y el físico alemán Erich Habann descubrieron de forma independiente que Magnetron podía generar señales con frecuencias del rango de microondas.

La invención y la creciente popularidad de RADAR aumentaron la demanda de dispositivos que pueden producir microondas en longitudes de onda más cortas.

En el año 1940, Sir John Randall y Harry Boot de la Universidad de Birmingham desarrollaron un prototipo funcional de un magnetrón de cavidad. Al principio, el dispositivo producía alrededor de 400 vatios de potencia. Un mayor desarrollo como el enfriamiento por agua y varias otras mejoras aumentaron la potencia producida de 400 W a 1 kW y luego hasta 25 kW.

Hubo un problema relacionado con la inestabilidad de frecuencia en el magnetrón desarrollado por científicos británicos. En 1941, James Sayers resolvió ese problema.

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El magnetrón de cavidad desarrollado por Sir John Randall y Harry Boot de la Universidad de Birmingham, Magnetron Microwave, Crédito de la imagen: Elektrik FanneMagnetrón de R&BCC BY-SA 4.0

Aplicaciones de Magnetron

Un magnetrón es un dispositivo beneficioso, tiene varias aplicaciones en varios campos. Analicemos algunos de ellos.

  • Magnetrones en radar: El uso de Magnetron para un radar utilizado para generar pulsos cortos de frecuencias de microondas de alta potencia. La guía de ondas de un magnetrón se adjunta con cualquiera de las antenas dentro de un radar.
    • Hay varios factores de Magnetron que causan complejidad al Radar. Uno de ellos es el problema relacionado con la inestabilidad de frecuencia. Este factor genera el problema de los cambios de frecuencia.
    • Las segundas características son que un magnetrón produce señales con el poder de un ancho de banda más amplio. Entonces, el receptor debe tener un ancho de banda más amplio para aceptarlos. Ahora, al tener un ancho de banda más amplio, el receptor también recibe algún tipo de ruido no deseado.
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Un radar comercial temprano para el aeropuerto, Magnetron Microwave, Imagen de: Autor desconocido Autor desconocido, Conjunto de radar Magnetron 1947, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons
  • Calefacción por magnetrón | Hornos de microondas magnetrón: Los magnetrones se utilizan para generar microondas que luego se utilizan para calentar. Dentro de un horno de microondas, al principio, el magnetrón produce las señales de microondas. Luego, la guía de ondas transmite las señales a un puerto transparente de RF en la cámara de alimentos. La cámara tiene una dimensión fija y también está cerca del magnetrón. Es por eso que los patrones de ondas estacionarias son aleatorios por el motor giratorio, que hace girar la comida dentro de la cámara.
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Horno de microondas, aplicaciones de microondas de magnetrón, crédito de imagen: el cargador original fue 吉恩 at Wikipedia en chino., WeiboluCC BY-SA 3.0
  • Iluminación Magnetron: Hay muchos dispositivos disponibles que se iluminan con la excitación Magnetron. Los dispositivos como la lámpara de azufre son un excelente ejemplo de tal luz. Dentro de los dispositivos, el magnetrón genera el campo de microondas, que es llevado a cabo por una guía de ondas. Luego, la señal pasa a través de la cavidad emisora ​​de luz. Estos tipos de dispositivos son complejos. Hoy en día, no se utilizan en lugar de elementos más superficiales como el Nitruro de Galio (GaN) o HEMT.

Construcción de Magnetron

En esta sección, discutiremos la construcción física y los componentes de un magnetrón.

El magnetrón se agrupa como un diodo cuando se despliega en la red. El ánodo del magnetrón se coloca en un bloque de forma cilíndrica que está hecho de cobre. Hay filamentos con filamento de plomo y el cátodo en el centro del tubo; los filamentos de plomo ayudan a mantener el cátodo y el filamento unidos en el centro. El cátodo está hecho de material de alta emisión y se calienta para la operación.

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Un magnetrón con sus partes, microondas magnetrón, crédito de imagen: página de trabajo de inicio de HCRS, Magnetrón2CC BY-SA 2.0 EN

El tubo tiene de 8 a 20 cavidades resonantes que son orificios cilíndricos alrededor de su circunferencia. La estructura interna se divide en varias partes: el número de cavidades presentes en el tubo. La división del tubo se realiza mediante las estrechas ranuras que conectan las cavidades con el centro.

Cada cavidad funciona como un circuito resonante paralelo donde la pared lejana del bloque de cobre del ánodo funciona como un inductor. La región de la punta de la paleta se considera el condensador. Ahora, la frecuencia de resonancia del circuito depende de las dimensiones físicas del circuito resonador.  

Es evidente que si una cavidad resonante comienza a oscilar, excita a otras cavidades resonantes y ellas también comienzan a oscilar. Pero hay una propiedad que sigue cada cavidad. Si una cavidad comienza a oscilar, la siguiente cavidad comienza a oscilar con un retraso de 180 grados en la fase. Esto se aplica a todas las cavidades. Ahora, la serie de oscilaciones crea una estructura de onda lenta que es autónoma. Es por eso que este tipo de construcción de magnetrón también se conoce como "magnetrón de onda viajera de cavidades múltiples".

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Cátodo central en el medio del microondas magnetrón, Crédito de la imagen: Pingu es sumerioSección de magnetrón transversal al ejeCC BY-SA 3.0

El cátodo suministra los electrones necesarios para el mecanismo de transferencia de energía. Como se mencionó anteriormente, el cátodo está en el centro del tubo, más configurado por los cables del filamento. Hay un espacio abierto particular entre el cátodo y el ánodo que necesita ser mantenido; de lo contrario, provocará un mal funcionamiento del dispositivo.

Hay cuatro tipos de disposición de cavidades disponibles. Son -

  • Tipo de ranura
  • Tipo paleta
  • Tipo de sol naciente
  • Tipo de agujero y ranura

Funcionamiento de un microondas magnetrón

El magnetrón pasa por algunas fases para generar señales de rangos de frecuencia de microondas. Las fases se enumeran a continuación.

Aunque el nombre de las fases es lo suficientemente indicativo como para permitirnos discutir los incidentes, estos ocurren en cada fase.

Fase 1: Generación y aceleración de haces de electrones

El cátodo dentro de la cavidad posee la polaridad negativa del voltaje. El ánodo se mantiene en una dirección radial desde el cátodo. Ahora, el calentamiento indirecto del cátodo provoca el flujo de electrones hacia el ánodo. En el momento de la generación, no hay ningún campo magnético presente en la cavidad. Pero después de la generación del electrón, un campo magnético débil dobla el camino de los electrones. La trayectoria del electrón se dobla bruscamente si la fuerza del campo magnético aumenta más. Ahora, si aumenta la velocidad de los electrones, la curva se vuelve más pronunciada nuevamente.

Fase 2: control de velocidad y cambios de haz de electrones

Esta fase ocurre dentro del campo ac de la cavidad. El campo de CA se encuentra desde los segmentos de ánodo adyacentes hasta la región del cátodo. Este campo acelera el flujo del haz de electrones, que fluye hacia los segmentos del ánodo. Los electrones que fluyen hacia los segmentos se ralentizan.

Fase 3: generación de la "rueda de carga espacial"

Los flujos de electrones en dos direcciones diferentes con velocidades separadas provocan un movimiento conocido como "rueda de carga espacial". Esto ayuda a aumentar la concentración de electrones, que además proporciona suficiente energía para las oscilaciones de radiofrecuencia.

Fase 4: Transformación de energía

Ahora, después de la generación del haz de electrones y su aceleración, el campo adquiere energías. Los electrones también distribuyen algo de energía al campo. Mientras viaja desde el cátodo, los electrones distribuyen energía en cada cavidad por la que pasa. La pérdida de energía provoca una disminución de la velocidad y eventualmente una desaceleración. Ahora, esto sucede varias veces. La energía liberada se utiliza de manera eficiente y se alcanza hasta un 80% de eficiencia.

Preocupaciones relacionadas con la salud de microondas magnetrón

Un microondas magnetrón produce señales de microondas que pueden causar problemas en los cuerpos humanos. Algunos magnetrones constan de torio en su filamento, que es un elemento radiactivo y no es bueno para los humanos. Elementos como los óxidos de berilio y los aislantes hechos con cerámica también son peligrosos si se trituran e inhalan. Esto puede afectar los pulmones.

También existen posibilidades de daños por sobrecalentamiento de los hornos de microondas de magnetrón. Los magnetrones requieren fuentes de alimentación de alto voltaje. Por lo tanto, también existe la posibilidad de peligros eléctricos.

Sobre Sudipta Roy

Soy un entusiasta de la electrónica y actualmente me dedico al campo de la Electrónica y las Comunicaciones.
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