Magnetron

Structuursamenstelling

Kathode- en anodesysteem

De kerncomponenten van een magnetron zijn de kathode en de anode. De kathode is meestal een hete kathode, die elektronen uitzendt wanneer deze verhit wordt. Deze elektronen worden versneld door het elektrische veld tussen de kathode en de anode en beginnen te bewegen. De anode is een complexe structuur met meerdere resonantieholtes. Deze holtes zijn essentieel voor de opwekking van microgolfenergie en hun grootte en vorm beïnvloeden de frequentie en het vermogen van de microgolven.

In een gewone huishoudelijke magnetron zijn de resonantieholtes van de anode bijvoorbeeld nauwkeurig ontworpen om een ​​microgolffrequentie van ongeveer 2450 MHz te genereren. Deze frequentie zorgt ervoor dat polaire moleculen, zoals watermoleculen, op hoge frequenties trillen en zo voedsel verwarmen.

Magnetisch veldsysteem

Het magnetische veld is een essentiële factor voor de normale werking van de magnetron. Het magnetische veld wordt opgewekt door permanente magneten of elektromagneten. Wanneer de magnetron in werking is, staat de richting van het magnetische veld loodrecht op de richting van de elektronenemissie. De elektronen bewegen onder invloed van het magnetische veld in een roterende beweging, waardoor de interactie tussen elektronen en de resonantieholtes mogelijk wordt, waardoor de holtes worden geëxciteerd en microgolven ontstaan.

In industriële magnetrons met een hoog vermogen kan een sterk magnetisch veld bijvoorbeeld de baan van de elektronenbeweging nauwkeurig regelen, wat zorgt voor een efficiëntere interactie tussen elektronen en de resonantieholtes. Dit resulteert in de opwekking van microgolven met een hoog vermogen voor industriële processen zoals microgolfverwarming en -droging.

Werkingsprincipe

Elektronenemissie en initiële beweging

Wanneer de kathode tot een bepaalde temperatuur wordt verhit, begint deze elektronen uit te zenden. Deze elektronen worden versneld door het elektrische veld tussen de kathode en de anode en bewegen richting de anode. Tegelijkertijd worden de elektronen, door de aanwezigheid van het magnetische veld, tijdens hun beweging afgebogen door de Lorentzkracht.

Om dit eenvoudig te begrijpen, stel je voor dat elektronen zich in een rechte lijn in het elektrische veld bewegen. Het magnetische veld fungeert echter als een "geleider" en zorgt ervoor dat de baan van de elektronen een spiraalvormige beweging maakt.

Microgolfgeneratieproces

Terwijl elektronen zich tussen de resonantieholtes van de anode bewegen, interageren ze continu met het elektromagnetische veld van de holtes. De bewegingsenergie van de elektronen wordt overgedragen naar de holtes, waardoor de elektromagnetische veldenergie in de holtes continu toeneemt en uiteindelijk een stabiele microgolfoscillatie ontstaat.

De resonantieholtes fungeren als een "energieversterker". De energie van de elektronenbeweging verzamelt zich in de holtes. Wanneer aan bepaalde voorwaarden is voldaan, worden microgolven gegenereerd en afgegeven aan de uitgang van de magnetron (meestal de golfgeleiderverbinding). Deze microgolven worden vervolgens in diverse toepassingen gebruikt.

Toepassingsgebieden

Huishoudelijke apparaten – Magnetrons

De magnetron is een belangrijk onderdeel van magnetrons. Hij genereert microgolven die voedsel snel kunnen verwarmen. De microgolven die door de magnetron in een magnetron worden geproduceerd, hebben doorgaans een frequentie van 2450 MHz. Deze microgolffrequentie kan polaire moleculen, zoals water- en vetmoleculen in voedsel, effectief laten trillen op hoge frequenties. De wrijving tussen de moleculen genereert warmte, waardoor snelle verwarming ontstaat.

Zo duurt het verwarmen van een kop melk slechts een paar minuten en kan de melk een geschikte drinktemperatuur bereiken. Bovendien verwarmen magnetrons voedsel over het algemeen relatief gelijkmatig, wat een handige en snelle manier is om in de dagelijkse behoefte aan het verwarmen van voedsel te voorzien.

Industriële toepassingen

Magnetronverwarming en -droging: In de industriële productie kunnen de door magnetrons gegenereerde microgolven worden gebruikt om diverse materialen te verwarmen en te drogen. In de houtverwerkende industrie kan microgolfdroging van hout bijvoorbeeld de droogtijd aanzienlijk verkorten, de productie-efficiëntie verbeteren en vervorming en scheurvorming in hout tijdens het droogproces verminderen. Bij het drogen van chemische grondstoffen kan microgolfverwarming een snel en gelijkmatig droogeffect bereiken, wat de productkwaliteit verbetert.

Microgolfcommunicatie: In vroege microgolfcommunicatiesystemen speelden magnetrons ook een rol. Ze konden dienen als bronnen van microgolfsignalen, en de microgolfsignalen werden via golfgeleiders en andere transmissieapparatuur naar de ontvangende kant verzonden om communicatie over lange afstanden mogelijk te maken. Met de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie en andere vakgebieden worden echter nu vaker andere typen microgolfbronnen gebruikt in microgolfcommunicatie.

Radarsystemen

Magnetrons kunnen ook worden gebruikt als microgolfbron in sommige eenvoudige radarsystemen. Ze kunnen krachtige microgolfpulsen genereren, die door antennes worden uitgezonden. Wanneer deze pulsen doelobjecten bereiken, worden ze teruggekaatst. Het radarontvangstsysteem detecteert de gereflecteerde microgolfsignalen om de positie, snelheid en andere informatie van de doelobjecten te bepalen.

In sommige kleinschalige weerradarsystemen of radarsystemen voor bewaking met een kort bereik kunnen magnetrons bijvoorbeeld voldoende microgolfenergie leveren om doelen te detecteren.