Magnetron

Magnetron

Jednym z najważniejszych elementów kuchenki mikrofalowej jest magnetron (lampa mikrofalowa), który emituje promieniowanie mikrofalowe.

Fizyka

Etykiety

magnetron, spektrum elektromagnetyczne, fala mikrofalowa, Indukcja elektromagnetyczna, siła Lorentza, spektrum, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma, Rentgenowski, ultrafioletowy, podczerwony, długość fali, częstotliwość, widzialne światło, fale radiowe, anoda, katoda, prąd elektryczny, elektromagnes, fizyka, fala

Powiązane treści

Sceny

Fale elektromagnetyczne

  • Spektrum elektromagnetyczne
  • Długość fali
  • Częstotliwość
  • Lampka ostrzegawcza - Niektóre fale elektromagnetyczne stanowią zagrożenie dla organizmów żywych.

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości od 0,3 GHz do 300 GHz, i odpowiednio o długości fali od 1 m do 1mm. Najpopularniejsze zastosowania mikrofali to kuchenki mikrofalowe, radary, telefony komórkowe, wifi, Bluetooth, naziemne transmisje telewizyjne.

Fale elektromagnetyczne są stale obecne w naszym życiu: obok dźwięku, to przy ich pomocy otrzymujemy informacje o świecie zewnętrznym.
Poszczególne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego różnią się od siebie wyłącznie długością fal, a w związku z tym i częstotliwością, natomiast sposób powstawania i rozchodzenia się promieniowania jest praktycznie identyczny dla każdego rodzaju. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku nagłej zmiany pola elektrycznego.
Podczas takiej zmiany powstaje pole magnetyczne, którego zmianawytwarza z kolei pole elektryczne i tak dalej: cykl powtarza się w nieskończoność. Wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się właśnie w ten sposób.

Fale elektromagnetyczne o odmiennej częstotliwości powstają w odmiennych warunkach i mają odmienny wpływ na otoczenie, dlatego uznajemy je za różne rodzaje fali.

Spektrum elektromagnetyczne tworzą następujące rodzaje fali, uporządkowane według malejącej częstotliwości: fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma.

Te rodzaje można podzielić jeszcze na podgrupy, na przykład w obrębie fal radiowych wyróżniamy fale długie, średnie, krótkie i ultrakrótkie; w obrębie światła widzialnego wyróżniamy dobrze znane nam kolory, jak czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, fioletowy; w obrębie promieniowania ultrafioletowego, czy inaczej: nadfioletu, wyróżniamy UV-A i UV-B.

Ogólną zasadą jest, że im krótsze są fale promieniowania elektromagnetycznego, tym większa jest ich częstotliwość, a więc i energia, co przekłada się na niszczącące działanie ich promieniowania.

Kuchenka mikrofalowa

  • drzwi z siatką zabezpieczającą - Zapobiega emisji mikrofali z komory kuchenki.
  • komora kuchenki
  • korpus
  • panel sterowniczy
  • talerz obrotowy

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, jak światło widzialne, ale o większej długości fali, która waha się od 1 mm do 1m. W kuchenkach mikrofalowych stosuje się mikrofale o długości 12 cm.
Działanie podgrzewające kuchenki mikrofalowej opiera się na wykorzystaniu polarnej budowy cząsteczki wody, w której ładunki elektryczne są nierównomiernie rozłożone: po stronie atomu wodoru jest więcej ładunków dodatnich, a po stronie tlenu - więcej ładunków ujemnych (taka cząsteczka nazywa się dipolem). Taka cząsteczka dąży do ustawienia się zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego, dlatego cykliczne zmiany pola elektromagnetycznego mikrofali wprawiają ją w drgania rotacyjne. W trakcie drgań rośnie energia kinetyczna cząsteczek, co skutkuje wzrostem temperatury umieszczonego w kuchence produktu zawierającego wodę.

Magnetron wykorzystuje energię elektryczną do generowania promieniowania mikrofalowego, które przekazywane jest falowodem do komory kuchenki, gdzie rozprasza się na łopatach wentylatora. Następnie fale, odbite od ścian kuchenki, wnikają w pożywienie i je podgrzewają.

Drzwiczki kuchenki posiadają siatkę ochronnąwbudowaną w szybę drzwiczek, która nie dopuszcza do emisji mikrofali na zewnątrz. Bez tej warstwy zabezpieczającej nasze tkanki nagrzewałyby się w pobliżu kuchenki, co mogłoby skutkować oparzeniami.

Budowa kuchenki mikrofalowej

  • magnetron - Przetwarza energię elektryczną w mikrofale.
  • transformator - Przekształca napięcie prądu sieciowego na wartość wymaganą dla magnetronu.

Budowa magnetronu

  • Obudowa
  • Magnes
  • Krata chłodnicy
  • Wtyczka

W urządzeniach mikrofalowych o większej mocy, jakimi są na przykład kuchenka mikrofalowa lub radar, źródłem promieniowania jest zazwyczaj magnetron.
Magnetron to specjalna lampa elektronowa, w której z dużą prędkością odbywa się przepływ elektronów od katody o ujemnym ładunku elektrycznym do naładowanej pozytywnie anody. Jednak podczas tego przepływu elektrony przebywają znacznie bardziej skomplikowaną drogę, niż w zwykłej lampie elektronowej, a konsekwencją zygzakowatego toru ich ruchu jest emisja elektromagnetycznego promieniowania mikrofalowego.

Katoda i anoda

  • Katoda - Z rozżarzonej katody uwalniają się elektrony.
  • Anoda - Anoda o kształcie cylindra ma pozytywny ładunek elektryczny, dlatego przyciąga elektrony.
  • Trajektoria elektronu - Bez pola magnetycznego elektrony przebywałyby drogę od katody do anody po linii prostej.

Pośrodku magnetronu znajduje się rozżarzona katoda, z której na skutek ciepła emitowane są elektrony, które następnie podążają ku cylindrycznej, pozytywnie naładowanej anodzie. Ponieważ jednak w dolnej i górnej części magnetronu znajdują się silne magnesy, dlatego magnetyczna siła Lorentza nie pozwala elektronom poruszać się po linii prostej, zmuszone są więc podążać po zakrzywionym torze. Zanim dotrą do anody, wielokrotnie zawracają w stronę katody. W stosowanych w praktyce magnetronach na kształt trajektorii elektronów dodatkowo wpływają rozmieszczone wewnątrz bloku anodowego wnęki, które funkcjonują jak obwody rezonansowe, czyli zmuszają elektrony do drgań o określonej częstotliwości. Te skomplikowane trajektorie będą się wreszcie skupiać w miejscach zagęszczenia, tworząc strukturę szprych, wirujących z określoną prędkością. To wirujące pole elektryczne indukuje mikrofale.

Magnetyczna siła Lorentza

  • Linie pola magnetycznego
  • Magnes
  • Trajektoria elektronu - Bez wnęk, ale w obecności magnesów, trajektoria elektronu przybiera kształt spiralnej krzywej.

Wielkość siły Lorentza możemy wyliczyć następującym wzorem:
F = q * B * v * sin α, gdzie q to ładunek elektryczny cząsteczki, B to wielkość indukcji magnetycznej,v oznacza prędkość cząsteczki, natomiast α (alfa) to kąt nachylenia wektorów v i B.
Jak z tego wynika, siła nie działa, kiedy wektory v i B są równoległe do siebie, a wielkość maksymalną osiąga, kiedy v i B są prostopadłe względem siebie.

Znaczenie wnęk - obwód rezonansowy

  • Wnęka - Znajdujące się we wnętrz magnetronu wnęki, zwane rezonatorami, zachowują się jak obwód rezonansowy.
  • Pole elektryczne - Zmienia się we wnękach cyklicznie.
  • Żebro - Jego kształt i rozmiar wpływa na częstotliwość powstającej mikrofali.
  • Antena - Odprowadza mikrofalę, powstającą we wnętrzu magnetronu.
  • Obwód rezonansowy - Cyklicznie, z określoną częstotliwością zmienia pole elektromagnetyczne.

Wnęki funkcjonują w anodzie jak obwód rezonansowy. Obwód rezonansowy to taki obwód elektryczny, który wprowadzone do niego ładunki elektryczne wprawia w drgania rotacyjne o określonej częstotliwości, na zasadzie huśtawki, która raz wprawiona w ruch, porusza się dalej wahadłowo z określoną częstotliwością bez ingerencji z zewnątrz.

Obwód rezonansowy składa się z kondensatora i cewki. W przypadku magnetronu rolę kondensatora spełnia szczelina przy wejściu do wnęki, a rolę cewki materiał samej wnęki, w którym może płynąć prąd elektryczny.

Drgania powstają w następujący sposób: jeśli na skutek czynnika zewnętrznego po ścianie wnęki w kształcie pierścienia przepływają ładunki elektryczne, wówczas prąd elektryczny generuje pole magnetyczne. W międzyczasie ładunki gromadzą się przy szczelinie, dlatego prąd zaczyna słabnąć, w związku z tym słabnie też pole magnetyczne. Zmiana pola magnetycznego wywołuje autoindukcję i wygenerowane w ten sposób pole elektryczne przez krótką chwilę popycha elektrony w tym samym kierunku, co powoduje jeszcze większe nagromadzenie ładunków przy szczelinie.
Zanim cały ten proces ostatecznie ustanie, zgromadzone ładunki zaczynają płynąć z powrotem w kierunku ładunków przeciwnych, powstaje więc prąd o kierunku przeciwnym i cały proces zaczyna się od początku. W ten sposób prąd będzie się zmieniał cyklicznie z określoną częstotliwością, dopóki starczy w systemie energii. Częstotliwość określona jest przez cechy geometryczne wnęki. Zmieniając te parametry można dostroić magnetron do odpowiedniej częstotliwości. Powstające we wnękach drgania wywierają ponowny wpływ na krążące wokół katody elektrony, których przepływ nie będzie więc równomierny, tylko pulsujący. Dzięki temu powstaje promieniowanie mikrofalowe.

Powiązane treści

Jak działa kuchenka mikrofalowa?

Dzięki animacji możemy poznać konstrukcję i działanie kuchenki mikrofalowej.

Kondensator

Kondensator to urządzenie służące do gromadzenia i przechowywania energii w postaci ładunku elektrycznego.

Rodzaje fal

Fale odgrywają bardzo ważną rolę w wielu dziedzinach naszego życia.

Silniki elektryczne

Silniki elektryczne są obecne w wielu dziedzinach naszego życia. Poznaj ich podstawowe rodzaje!

Dzwonek elektryczny

Urządzenie działające przy wykorzystaniu elektromagnesu.

Prądnica i silnik elektryczny

Prądnica służy do przekształcenia energii mechanicznej w energię elektryczną, w silniku elektrycznym natomiast energia elektryczna zamieniona zostaje na...

Transformator

Transformator jest urządzeniem służącym do zmiany napięcia elektrycznego.

Nikola Tesla i jego laboratorium (Shoreham, USA)

Ten inżynier, elektryk i wynalazca, zajmujący się głównie elektrotechniką był niewątpliwie jednym z najwybitniejszych postaci drugiej rewolucji przemysłowej.

Radar (Zoltan Bay)

W 1946 roku przy pomocy tego urządzenia udało się odebrać echo radarowe księżyca.

Added to your cart.