מגנטרון

הרכב המבנה

מערכת קתודה ואנודה

המרכיבים המרכזיים של מגנטרון הם הקתודה והאנודה. הקתודה היא בדרך כלל קתודה חמה, אשר פולטת אלקטרונים כאשר היא מחוממת. אלקטרונים אלה מואצים על ידי השדה החשמלי בין הקתודה לאנודה ומתחילים לנוע. האנודה היא מבנה מורכב עם חללי תהודה מרובים. חללים אלה הם אזורים מרכזיים לייצור אנרגיה במיקרוגל, וגודלם וצורתם משפיעים על התדירות וההספק של המיקרוגלים.

לדוגמה, במגנטרון ביתי נפוץ בתנור מיקרוגל, חללי התהודה של האנודה מתוכננים במדויק לייצר תדר מיקרוגל של כ-2450 מגה-הרץ. תדר זה גורם למולקולות קוטביות כמו מולקולות מים לרטוט בתדרים גבוהים, ובכך לחמם מזון.

מערכת שדה מגנטי

השדה המגנטי הוא גורם חיוני לפעילותו התקינה של המגנטרון. השדה המגנטי נוצר על ידי מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים. כאשר המגנטרון פועל, כיוון השדה המגנטי ניצב לכיוון פליטת האלקטרונים. האלקטרונים נעים בתנועה סיבובית תחת השפעת השדה המגנטי, המאפשרת את האינטראקציה בין האלקטרונים לחללים התהודה, ובכך מעוררים את החללים ליצירת גלי מיקרו.

לדוגמה, במגנטרונים תעשייתיים בעלי הספק גבוה, שדה מגנטי חזק יכול לשלוט במדויק במסלול תנועת האלקטרונים, ובכך להבטיח אינטראקציה יעילה יותר בין אלקטרונים לחללים התהודה. התוצאה היא יצירת מיקרוגלים בעלי הספק גבוה עבור תהליכים תעשייתיים כגון חימום וייבוש במיקרוגל.

עקרון עבודה

פליטת אלקטרונים ותנועה ראשונית

כאשר הקתודה מחוממת לטמפרטורה מסוימת, היא מתחילה לפלוט אלקטרונים. אלקטרונים אלה מואצים על ידי השדה החשמלי בין הקתודה לאנודה ונעים לכיוון האנודה. במקביל, בשל נוכחות השדה המגנטי, האלקטרונים מוסטים על ידי כוח לורנץ במהלך תנועתם.

כדי להבין זאת בפשטות, דמיינו שאלקטרונים נעים בקו ישר בשדה החשמלי. עם זאת, השדה המגנטי פועל כ"מדריך", וגורם למסלול האלקטרונים להתכופף לתנועה ספירלית.

תהליך ייצור מיקרוגל

כאשר אלקטרונים נעים בין חללי התהודה של האנודה, הם מקיימים אינטראקציה מתמשכת עם השדה האלקטרומגנטי של החללים. אנרגיית תנועת האלקטרונים מועברת לחללים, מה שגורם לאנרגיית השדה האלקטרומגנטי בתוך החללים לעלות בהתמדה, ובסופו של דבר ליצור תנודת מיקרוגל יציבה.

חללי התהודה פועלים כ"מגבר אנרגיה". אנרגיית תנועת האלקטרונים מצטברת בתוך החללים. כאשר מתקיימים תנאים מסוימים, נוצרים גלי מיקרו ונפלטים מקצה הפלט של המגנטרון (בדרך כלל חיבור מוליך הגל). גלי מיקרו אלה משמשים לאחר מכן ביישומים שונים.

שדות יישום

מכשירי חשמל ביתיים - תנורי מיקרוגל

המגנטרון הוא מרכיב מפתח בתנורי מיקרוגל. הוא מייצר גלי מיקרו שיכולים לחמם מזון במהירות. גלי המיקרוגל המופקים על ידי המגנטרון בתנור מיקרוגל הם בדרך כלל בתדר של 2450 מגה-הרץ. תדר זה של גלי מיקרוגל יכול לגרום ביעילות למולקולות קוטביות כמו מולקולות מים ושומן במזון לרטוט בתדרים גבוהים. החיכוך בין המולקולות מייצר חום, ובכך משיג חימום מהיר.

לדוגמה, חימום כוס חלב לוקח רק כמה דקות, והחלב יכול להגיע לטמפרטורת שתייה מתאימה. יתר על כן, תנורי מיקרוגל בדרך כלל מחממים מזון באופן שווה יחסית, ומספקים דרך נוחה ומהירה לענות על הצרכים היומיומיים של אנשים לחימום מזון.

יישומים תעשייתיים

חימום וייבוש במיקרוגל: בייצור תעשייתי, ניתן להשתמש בקרינת המיקרוגל הנוצרת על ידי מגנטרונים לחימום וייבוש חומרים שונים. לדוגמה, בתעשיית עיבוד העץ, ייבוש עץ במיקרוגל יכול להפחית משמעותית את זמן הייבוש, לשפר את יעילות הייצור ולהפחית עיוות וסדקים של עץ במהלך תהליך הייבוש. לייבוש חומרי גלם כימיים, חימום במיקרוגל יכול להשיג אפקטים של ייבוש מהיר ואחיד, ולשפר את איכות המוצר.

תקשורת מיקרוגל: במערכות תקשורת מיקרוגל מוקדמות, גם מגנטרונים מילאו תפקיד. הם יכלו לשמש כמקורות אותות מיקרוגל, ואותות המיקרוגל הועברו לצד המקבל דרך מוליכי גל והתקני שידור אחרים כדי להשיג תקשורת למרחקים ארוכים. עם זאת, עם התפתחות טכנולוגיית המוליכים למחצה ותחומים אחרים, סוגים אחרים של מקורות מיקרוגל נמצאים כיום בשימוש נפוץ יותר בתקשורת מיקרוגל.

מערכות מכ"ם

מגנטרונים יכולים לשמש גם כמקורות מיקרוגל במערכות מכ"ם פשוטות. הם יכולים לייצר פולסים של מיקרוגל בעוצמה גבוהה, הנפלטים על ידי אנטנות. כאשר פולסים אלה נתקלים באובייקטים שנמצאים במטרה, הם מוחזרים בחזרה. מערכת קליטת המכ"ם מזהה את אותות המיקרוגל המוחזרים כדי לקבוע את המיקום, המהירות ומידע נוסף של אובייקטי המטרה.

לדוגמה, במערכות מכ"ם מזג אוויר בקנה מידה קטן או מכ"ם מעקב לטווח קצר, מגנטרונים יכולים לספק עוצמת מיקרוגל מספיקה כדי להשיג פונקציות של גילוי מטרות.