المغنطرون

تكوين الهيكل

نظام الكاثود والأنود

المكونات الأساسية للمغنطرون هي الكاثود والأنود. الكاثود عادةً ما يكون كاثودًا ساخنًا، يُصدر الإلكترونات عند تسخينه. تُسرّع هذه الإلكترونات بفعل المجال الكهربائي بين الكاثود والأنود، وتبدأ بالحركة. الأنود عبارة عن بنية معقدة ذات تجاويف رنينية متعددة. تُعد هذه التجاويف مناطق رئيسية لتوليد طاقة الموجات الميكروية، ويؤثر حجمها وشكلها على تردد الموجات الميكروية وقوتها.

على سبيل المثال، في المغنطرون المستخدم في فرن الميكروويف المنزلي، صُممت تجاويف الرنين الموجب بدقة لتوليد تردد ميكروويف يبلغ حوالي ٢٤٥٠ ميجاهرتز. يُسبب هذا التردد اهتزاز الجزيئات القطبية، مثل جزيئات الماء، بترددات عالية، مما يُسخّن الطعام.

نظام المجال المغناطيسي

يُعد المجال المغناطيسي عاملاً أساسياً للتشغيل الطبيعي للمغنطرون. يُولَّد المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيسات دائمة أو مغناطيسات كهربائية. عند تشغيل المغنطرون، يكون اتجاه المجال المغناطيسي عمودياً على اتجاه انبعاث الإلكترونات. تتحرك الإلكترونات في حركة دورانية تحت تأثير المجال المغناطيسي، مما يُتيح التفاعل بين الإلكترونات والتجاويف الرنانة، مما يُثير التجاويف لإنتاج موجات ميكروية.

على سبيل المثال، في المغنطرونات الصناعية عالية القدرة، يُمكن لحقل مغناطيسي قوي التحكم بدقة في مسار حركة الإلكترونات، مما يضمن تفاعلًا أكثر كفاءة بين الإلكترونات وتجويفات الرنين. ويؤدي هذا إلى توليد موجات دقيقة عالية القدرة للعمليات الصناعية مثل التسخين والتجفيف بالموجات الدقيقة.

مبدأ العمل

انبعاث الإلكترونات والحركة الأولية

عند تسخين الكاثود إلى درجة حرارة معينة، يبدأ بإصدار الإلكترونات. تُسرّع هذه الإلكترونات بفعل المجال الكهربائي بين الكاثود والأنود، فتتحرك نحو الأنود. في الوقت نفسه، وبسبب وجود المجال المغناطيسي، تنحرف الإلكترونات بفعل قوة لورنتز أثناء حركتها.

لفهم هذا الأمر ببساطة، تخيّل أن الإلكترونات تتحرك في خط مستقيم في المجال الكهربائي. لكن المجال المغناطيسي يعمل كدليل، مما يجعل مسار الإلكترونات ينحني إلى حركة حلزونية.

عملية توليد الموجات الدقيقة

أثناء تحرك الإلكترونات بين تجاويف الرنين المصعدية، تتفاعل باستمرار مع المجال الكهرومغناطيسي للتجاويف. تنتقل طاقة حركة الإلكترونات إلى التجاويف، مما يؤدي إلى زيادة طاقة المجال الكهرومغناطيسي داخل التجاويف باستمرار، مما يُشكل في النهاية تذبذبًا ميكروويفيًا مستقرًا.

تعمل التجاويف الرنانة كـ"مضخّم للطاقة". تتراكم طاقة حركة الإلكترونات داخل التجاويف. عند استيفاء شروط معينة، تتولد موجات ميكروية وتُخرَج من طرف خرج المغنطرون (عادةً وصلة الدليل الموجي). تُستخدم هذه الموجات الميكروية بعد ذلك في تطبيقات متنوعة.

مجالات التطبيق

الأجهزة المنزلية - أفران الميكروويف

يُعدّ الماغنطرون مكونًا أساسيًا في أفران الميكروويف. فهو يُولّد موجات ميكروويف تُسخّن الطعام بسرعة. عادةً ما يكون تردد الموجات الميكروويفية التي يُنتجها الماغنطرون في فرن الميكروويف 2450 ميجاهرتز. يُمكن لهذا التردد أن يُسبب اهتزاز الجزيئات القطبية، مثل جزيئات الماء والدهون في الطعام، بترددات عالية. يُولّد الاحتكاك بين الجزيئات حرارة، مما يُؤدي إلى تسخين سريع.

على سبيل المثال، لا يستغرق تسخين كوب من الحليب سوى بضع دقائق، ويمكن أن يصل الحليب إلى درجة حرارة مناسبة للشرب. علاوة على ذلك، تُسخّن أفران الميكروويف الطعام بشكل متساوٍ نسبيًا، مما يوفر طريقة مريحة وسريعة لتلبية احتياجات الناس اليومية من تسخين الطعام.

التطبيقات الصناعية

التسخين والتجفيف بالميكروويف: في الإنتاج الصناعي، تُستخدم الموجات الدقيقة المُولّدة بواسطة المغنطرونات لتسخين وتجفيف مواد مُختلفة. على سبيل المثال، في صناعة معالجة الأخشاب، يُقلّل تجفيف الخشب بالميكروويف من وقت التجفيف بشكل كبير، ويُحسّن كفاءة الإنتاج، ويُقلّل من تشوّه وتشقق الخشب أثناء عملية التجفيف. أما في تجفيف المواد الخام الكيميائية، فيُتيح التسخين بالميكروويف تحقيق نتائج تجفيف سريعة ومُنتظمة، مما يُحسّن جودة المنتج.

اتصالات الميكروويف: في أنظمة اتصالات الميكروويف المبكرة، لعبت المغنطرونات دورًا أيضًا. فقد كانت تُستخدم كمصدر لإشارات الميكروويف، وكانت تُنقل إلى الطرف المُستقبِل عبر الموجهات الموجية وأجهزة الإرسال الأخرى لتحقيق اتصالات بعيدة المدى. ومع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات ومجالات أخرى، أصبحت أنواع أخرى من مصادر الميكروويف تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في اتصالات الميكروويف.

أنظمة الرادار

يمكن استخدام المغنطرونات أيضًا كمصدر للموجات الميكروية في بعض أنظمة الرادار البسيطة. فهي قادرة على توليد نبضات ميكروية عالية الطاقة، تُصدرها الهوائيات. عندما تصطدم هذه النبضات بالأجسام المستهدفة، تنعكس. يرصد نظام استقبال الرادار إشارات الموجات الميكروية المنعكسة لتحديد موقع الأجسام المستهدفة وسرعتها ومعلومات أخرى عنها.

على سبيل المثال، في بعض أنظمة الرادار الجوي الصغيرة الحجم أو أنظمة الرادار للمراقبة قصيرة المدى، يمكن للمغنطرونات توفير طاقة ميكروويف كافية لتحقيق وظائف الكشف عن الهدف.