Как устроен и работает магнетрон

СВЧ-печь: устройство и безопасность

Микроволны внутри печи — это обычное электромагнитное излучение сверхвысокой частоты (СВЧ) около 2,45 ГГц (длина волны около 12 см).

Что делает это излучение с едой? Переменное электромагнитное поле микроволн заставляет дипольные молекулы быстро вращаться, повышая их энергию, то есть температуру.

Устройство микроволновой печи

Конструктивно микроволновая печь состоит из:

  • Электроники управления (центральная плата)
  • Высоковольтного трансформатора
  • Магнетрона

Магнетрон

Магнетрон — основной элемент для работы микроволновой печи. Он создает сверхвысокочастотное излучение через взаимодействие между магнитными полями.

Безопасность использования

Корпус устройства экранирован, излучение не попадает наружу. Даже дверца конструктивно продумана так, что не пропускает излучения. Отверстия в металле имеют такой размер, который позволяет наблюдать внутри печки, но не пропускают электромагнитное излучение.

СВЧ печь идеально подходит для деликатной разморозки и разогрева еды. Приготовление блюд также возможно. Технически исправная микроволновка безопасна для людей, животных, растений и еды, которая в ней готовится.

СВЧ-печь

Безопасность использования микроволновки

Для безопасного использования микроволновки и защиты от СВЧ-излучения необходимо быть внимательным к следующим моментам:

Состояние дверцы

  • Не использовать микроволновую печь, если дверца погнута или имеет повреждения.
  • Проверить, чтобы шарниры дверцы были в хорошем состоянии и не ослаблены.

Корпус прибора

  • Избегать использования микроволновки с трещинами или видимыми отверстиями в корпусе.

Расположение прибора

  • Размещать микроволновую печь на расстоянии от областей, где обычно находятся люди.
  • Не ставить микроволновку на часто посещаемые места, например, на обеденный стол.

Использование посуды

  • Избегать использования металлической тары или посуды с металлическим декором в микроволновке.
  • Металлические предметы могут вызвать неисправности магнетрона или привести к возгоранию.
  • Присутствие металла внутри камеры может нарушить равномерное распределение волн и повлечь за собой утечку излучения.

Гигиена при использовании

  • Поддерживать чистоту внутри микроволновой печи, чтобы избежать скопления органических загрязнений.

Микроволновка – удобная штука на кухне

При подготовке завтрака или других блюд, микроволновая печь является незаменимым инструментом на любой кухне. Обработка пищи в микроволновке позволяет сэкономить время и силы, не требуя длительного готовления на плите.

Интересные факты о микроволновке

Интересно, что изначально микроволновку придумали американские военные после Второй мировой войны. Этот удобный прибор стал популярным благодаря своей функциональности и простоте в использовании.

Принцип работы микроволновки

Микроволновка работает на основе принципов электромагнитного излучения. Путем генерации микроволн внутри камеры их воздействие на молекулы воды приводит к быстрому нагреву пищи. Физика процесса основывается на двух видах токов: проводимости и смещения.

Микроволновые устройства используются повсеместно и являются неотъемлемой частью современной кухни. Соблюдение правил безопасности при использовании микроволновки поможет избежать аварий и сохранит здоровье пользователей.

Микроволнового нагревания

Микроволновая печь представляет собой электрическую машины для быстрого приготовления пищи. Она работает по принципу использования микроволновых волн для нагрева продуктов. Внутри микроволновки есть магнетрон, который генерирует микроволновые волны. Эти волны затем отражаются от металлической обкладки внутри печи и поглощаются продуктами питания, нагревая их как внутри, так и снаружи. В результате пища быстро нагревается и приготовленная.

Безопасность

Микроволновки безопасны в использовании при соблюдении правил эксплуатации. Микроволновые волны не оставляют радиоактивные следы на продуктах и не меняют их химическую структуру. Однако, не рекомендуется использовать микроволновку, если внутренний экран или дверь повреждены. Также стоит избегать использования металлических предметов внутри печи, так как они могут вызвать искру и повреждения.

Выводы

Итак, диэлектрическое нагревание – это интересное явление, которое находит свое применение как в промышленности, так и в быту. Понимание принципов работы микроволновых печей и их безопасность важно для продолжения использования данной технологии. Следование рекомендациям и правилам эксплуатации позволит избежать негативных последствий и насладиться быстрым приготовлением вкусной пищи.

Микроволновая печь: как работает этот чудо-аппарат

Итак, для эффективного нагрева пищи в микроволновой печи необходимо использовать электромагнитное излучение с высокой мощностью и частотой. Но самый высокий уровень мощности не всегда означает быстрый и равномерный нагрев.

Функция микроволновой печи

Уникальность микроволновой печи заключается в том, что она обеспечивает равномерный нагрев пищи на всю ее толщину. Хотя некоторые пользователи могут жаловаться на неравномерность нагрева продуктов, основной задачей печи является именно равномерность этого процесса.

Микроволновые излучения проникают на глубину продукта от 2 до 8 см, в зависимости от его содержания воды. Это означает, что практически любая еда, соответствующая размерам камеры печи и содержащая влагу, будет нагреваться равномерно.

Тип продуктаГлубина проникновения волн СВЧ
Мясо6-8 см
Овощи3-5 см
Рыба2-4 см
Замороженная пицца2-3 см

Особенности работы печи

1. Частота 2450 МГц

Современные модели микроволновых печей работают на частоте 2450 МГц, что является наиболее оптимальной величиной для равномерного нагрева продуктов. При данной частоте волны хорошо поглощаются веществами с температурой от 0 до 100 градусов Цельсия.

2. Магнетрон

Самым важным элементом микроволновой печи является магнетрон. Он отвечает за генерацию микроволнового излучения, необходимого для нагрева пищи. Магнетрон имеет определенные размеры, мощность и цену, что делает его оптимальным решением для использования в домашних условиях.

3. Прочие компоненты

Помимо магнетрона, в устройстве микроволновой печи также присутствуют другие компоненты, такие как пульт управления, вентилятор охлаждения, датчики температуры и дверца с защитой от излучения.

Таким образом, микроволновая печь — это не только удобный кухонный прибор, но и технически сложное устройство, обеспечивающее быстрый и равномерный нагрев пищи. Регулярное обслуживание и правильное использование позволят вам долгие годы наслаждаться вкусными и здоровыми блюдами, готовыми в микроволновой печи.

Пункт 1. В основе магнетрона лежит трубка с вакуумом, в центре которой расположен катод в виде тонкой нити накаливания, а цилиндрические стенки образуют анод. Через катод протекает большой ток, до 10 ампер: нить раскаляется, и с нее начинают срываться электроны. Как мы помним, это называется термоэлектронной эмиссией.

Пункт 2. Электроны с большой скоростью устремляются к аноду, пролетая сквозь вакуум. Для этого между катодом и анодом создают большое напряжение — порядка 4000 В. Так электроны получают большую энергию движения и движутся, подобно пулям. Собственно, это принцип работы радиолампы.

Схема выпрямителя Вилларда в микроволновой печи — присутствует повышающий трансформатор до 2 кВ, напряжение которого удваивается.

Пункт 3. Дальше нужно сделать так, чтобы эти электроны не просто летели по прямой, а закручивались по спирали и пролетали мимо поверхности анода. Как можно отклонить их? Да просто введя постоянные магниты! Под действием силы Лоренца электроны будут отклоняться. Если правильно подобрать магнит с нужной индукцией, то картина будет напоминать вращающееся со строго известной частотой беличье колесо.

Пункт 4. Анод представляет собой не просто полый цилиндр, а имеет вырезы — так называемые резонаторы. Это и есть самая интересная часть.

Лучи колеса электронов пролетают мимо полостей резонаторов. Они могут быть разной формы, но чаще — простой прямоугольной, как на рисунке справа.

Каждая камера резонатора — это по сути LC-цепочка, в которой:

Когда поток колеса электронов пролетает мимо резонатора, он как бы «заряжает» обкладки конденсатора. Когда уходит, конденсатор разряжается и внутри камеры протекает ток. Следующий поток повторяет процедуру — и так далее. Получается единая связанная система, в которой постоянно возникают электромагнитные колебания. Причем геометрия конденсаторов точно рассчитана (можно сказать, параметры нашего LC контура) так, что частота внутри него ровно наши 2450 МГц.

Пункт 5. Сами резонаторы расположены на таком расстоянии друг от друга, что сами являются обкладками друг друга. Если подключить антенну к одному из них, то энергия будет как бы забираться с остальных резонаторов. Собственно, это и сделано — внутри проходит экранированная трубка, которая непосредственно соединяется с волноводом.

Так выглядит магнетрон в продольном разрезе — слева видна та самая антенна, которая в реальности проходит через трубку. Если все равно непонятно, посмотрите вот это видео на 12 минут — классно объясняется работа магнетрона.

Итак, если кратко и грубо: излучаемая волна с частотой 2450 МГц проходит и попадает в камеру, где образуются стоячие волны и вызывают колебания молекул воды по всей толщине продукта. Из-за явления диэлектрического нагрева пища разогревается. Как-то так.

Более подробно с расчетом микроволновых печей вы можете познакомиться в этой статье профессора экспериментальной физики из Бранденбургского университета прикладных наук.

Теперь давайте рассмотрим два самых популярных мифа о вреде микроволновки с позиции ее принципа работы и устройства.

Оказывает вредное воздействие, вплоть до развития рака

Безусловно, раз человек на 80% состоит из тех же самых молекул воды, то СВЧ-излучение будет влиять и на него. Более того, как мы упоминали выше, есть даже специальное направление медицины, построенное на этом принципе диэлектрического нагрева.

Но для этого нужно либо засунуть часть тела в микроволновку, либо извлечь магнетрон и использовать его не по прямому назначению. Примерно как вот этот персонаж. Современные печи увешаны разными фильтрами, а излучение остается внутри магнетрона, волновода и камеры.

В одной из серий Южного парка, отец Стэна, Рэнди пытался заработать рак засунув определенную часть себя в микроволновку

Европейские и американские стандарты регламентируют, что внешнее излучение не должно превышать 50 Вт/м2 в любой точке на расстоянии 5 см от поверхности печи. Это пограничное значение, при котором может появиться легкий ожог, а при длительном воздействии развиться катаракта или бесплодие. Но нормативами электромагнитной безопасности предписано, что излучение не должно превышать величины 5 Вт/м2 (например, согласно FDA для уже эксплуатирующихся печей) на тех же 5 см — то есть в 50 раз меньше. А с учетом того, что интенсивность уменьшается с квадратом расстояния, то на расстоянии в 50 см (уже ближе к истине) оно еще уменьшится в 100 раз. Собственно, ВОЗ даже официально в 2005 году признала микроволновые печи безопасными.

Конечно, не стоит покупать совсем уж кустарные микроволновки — но они и вряд ли попадут на полки крупных сетевых магазинов в России. В ГОСТ IEC 60335-2-90-2013 вопрос рассмотрен подробнее, рекомендую сразу открывать приложение DD.

Изменяет пищу на молекулярном уровне, ее нельзя есть

Всё, что делает микроволновая печь — заставляет колебаться полярные молекулы. Сама вода не имеет никакой четкой структуры, чтобы что-то могло ее там изменить. Максимум, между молекулами воды образуются водородные связи, но микроволновое излучение в 2450 МГц никак не влияет на наличие электронов. Остальное ерунда.

В общем, про мифы о микроволновых печах нужна отдельная статья. Пока хабровчане могут смело делиться в комментариях своими мыслями по поводу вреда обычных бытовых микроволновых печей. Желательно со ссылками на какие-то авторитетные исследования.

А теперь переходим к истории: причем рассмотрим не только каноническую, но и достаточно малоизвестную. Собственно, об этом мой отец мне и рассказывал в далеком детстве.

История появления микроволновки

В 1891 году французский физиолог Жак Арсен д’Арсонваль обнаружил, что электромагнитные поля с частотой больше 10 кГц мягко разогревают ткани человека и помогают при воспалении мышц и суставов.

В 1899 году химик из Австрии фон Зайнек предложил использовать частоту 200 кГц. А в 1908 году немецкий врач Карл Франц Нагельшмидт выделил это в отдельный метод лечения — диатермию, в основе которого лежали ВЧ аппараты с рабочей частотой 1,6 МГц. И даже написал учебник в 1921 году. Подробно на этом останавливаться не буду, просто упомяну: микроволновую диатермию с частотой свыше 300 МГц до сих пор применяют при лечении злокачественных опухолей, наряду с химией и лучевой терапией.

В 1921 году инженер General Electric Альберт Халл пытался обойти патенты на электровакуумный триод. Но у него получилось кое-что поинтереснее — уже знакомый нам магнетрон. Он впервые ввел этот термин и описал, как с его помощью можно получить электромагнитную волну высокой частоты.

Итак, оставалось все это сложить вместе: магнетрон и факт нагрева тканей человека, и перенести все это на нагрев пищи. К 1933 году сразу три лаборатории — Bell Labs, General Electric и RCA — пытались придумать такое устройство. Но опередила всех компания Westinghouse Electric. На выставке в Чикаго Century of Progress они продемонстрировали устройство для разогрева сэндвичей.

Оно представляло собой две пластины, обкладки конденсатора, которые были подключены к генератору высокой частоты. Тот имел мощность аж 10 кВт (представьте подобное чудо в вашей квартире) и создавал излучение частотой в 60 МГц. На тот момент это было очень круто, но совершенно бесполезно — ну кто бы потянул такую штуку дома?

Так выглядела установка и женщина, которая рекламировала разогрев гамбургера

Параллельно в СССР вопрос использования электромагнитного излучения высокой частоты и работы магнетронов тоже активно исследовался. Например, в 1936 году наш инженер Николай Селюгин в Ленинградском филиале ЦНИИ предложил способ, как сушить древесину и запатентовал его. Не еда, но тоже интересно и полезно. Впервые метод был применен в 1937-1939 годах на обувной фабрике «Скороход» в Ленинграде.

Исследования магнетронов советскими учеными до войны. Всего же было опубликовано свыше 200 статей по всему миру.

Самое важное событие, без которого современной микроволновой печи точно не было бы, стало изобретение резонансного магнетрона. По сути, революционная доработка уже известных исследований.

В сентябре 1939 года Джон Рэндалл и Генри Бут, физики из Бирмингемского университета в Англии, начали исследовать новое направление в конструкции магнетронов под руководством Марка Олифанта (он же — первооткрыватель трития), а опирались они на работы голландского инженера Клааса Постумуса. Рэндаллу и Буту нужно было решить очень конкретную проблему: поскольку немецкие самолеты терроризировали Англию, любое улучшение радиолокационных возможностей страны было бы как нельзя кстати.

Помимо того, что Олифант был профессором физики в Бирмингеме, он еще был участником секретной британской радиолокационной программы. В начале войны в стране существовала сеть радиолокационных станций, работавших на длине волны от 10 до 13 метров, и проводились испытания бортовых радиолокаторов с длиной волны 1,5 метра.

Олифант выступал за радар, работающий в микроволновом диапазоне, с длиной волны 10 см или меньше и с пиковой мощностью 1 кВт. Такая система:

Магнетрон Рэндалла и Бута

В течение двух месяцев Рэндалл и Бут разработали базовую конструкцию своего магнетрона с резонатором. Он состоял из цилиндрического куска металла, катод которого проходил через центральное отверстие. Окружающий анод имел ряд симметричных отверстий или полостей, расположенных вокруг центрального отверстия. Поперечное сечение напоминало патронник револьвера Кольта, который, возможно, послужил образцом для некоторых ранних прототипов Рэндалла и Бута.

Собственно, после этого производство радаров было поставлено на поток: британцы обменялись технологиями с американцами, и пошло-поехало. Но когда война закончилась, нужно было придумать, что со всем этим делать дальше. Ведь производство магнетронов для радаров было поставлено на поток — особенно об этом беспокоилась американская компания Raytheon, основной поставщик радиолокационного оборудования для армии.

Они вспомнили про эксперименты с нагревом жидкости: причем не только для промышленных целей (скажем, для сушки древесины, прессования пластмассы — об этом нужно говорить отдельно), но и в контексте приготовления пищи. А это определенно был бы намного более массовый рынок.

Интересно, что еще в 1941 году в Советском Союзе исследовали проблему нагрева пищи токами ультравысокой частоты. Но из-за начала войны от дальнейших разработок отказались. К сожалению, найти подробное описание установки в открытых источниках не удалось.

Руководителем лаборатории Raytheon по исследованию микроволнового излучения стал инженер Перси Спенсер. Собственно, тут и рождается популярная «легенда о шоколадном батончике». Вот как ее описывали в статье «Ридерз Дайджест» от 1958 года:

Однажды, десять лет назад, Спенсер посетил лабораторию, где тестировались магнетроны. Внезапно он почувствовал, как в его кармане начал готовиться арахисовый батончик. Другие ученые тоже заметили это явление, но Спенсеру не терпелось узнать о нем больше.

Он послал мальчика за пакетом попкорна. Когда он поднес его к магнетрону, попкорн взорвался по всей лаборатории. На следующее утро он взял металлическую емкость, вырезал в нем отверстие точно под магнетрон и положил в него сырое яйцо. Затем он поднес к отверстию магнетрон и включил. И знаете, что? Яйцо взорвалось из-за давления желтка!

Как вспоминает сотрудник лаборатории Джон Осипчук, эта легенда — ложь. Открытие микроволновой печи было результатом планомерной работы с 1945 по 1947 годы всего коллектива, а это больше 20 человек. Мы уже разбирали с вами, сколько нюансов и исследований кроется за выбранной частотой в 2450 МГц. Поэтому можно не сомневаться в том, что история в реальности была совсем другой.

Но так или иначе в 1946 году Перси Спенсер патентует печь для приготовления попкорна и все-таки остается в истории как создатель первой микроволновой печи.

В том же году под руководством Марвина Бока, другого инженера компании Raytheon, появился прибор под названием Radarange модель 1132. Это и была первая микроволновая печь в истории.

Мощность магнетрона составляла 1,6 кВт: для его охлаждения использовалась проточная вода. Прототип высотой 1,8 метра и весом около 340 килограммов был установлен в бостонском ресторане для испытаний.

Спустя год, в 1947 году Radarange появился на рынке. Знаете, сколько он стоил? 5000 долларов, что эквивалентно около 70 000 долларов сейчас. Позволить его себе могли только рестораны.

В том же 1947 году Американская комиссия по радиосвязи провела конференцию с 15 мая по 2 октября, на которой определила ISM-диапазоны. Благодаря исследованию Raytheon частота именно в 2450 МГц была зарезервирована под «нагрев при помощи микроволнового излучения». Прошло уже почти 80 лет, а до сих пор они закреплены в международных стандартах.

Путь микроволновок

Я уже почти доел свой бутерброд, так что мой рассказ «Как появилась микроволновка» приближается к концу.

К концу 40-х годов Raytheon стремилась сделать печь более доступной, но ничего не понимала в кулинарных премудростях. Зарабатывать хотелось, и она начала продавать лицензию на микроволновую технологию в попытке найти спрос именно на свои магнетроны. Первым покупателем стала компания Tappan.

В 1955 году на рынке появилась Tappan RL-1: микроволновая печь настенного монтажа стоимостью 1295 долларов США (почти 11 000 долларов сегодня). Лучше, чем 5000 долларов, но все-таки очень дорого — возможно, поэтому в первые годы их продалось всего несколько десятков штук.

В 1962 года лицензией воспользовалась японская компания Sharp и представила модель R-10, а в 1965 году Raytheon приобрела Amana, компанию по производству бытовой техники в Ньютоне, штат Айова.

В 1967 году первая домашняя микроволновая печь Amana Radarange-1 с мощностью 750 Вт и весом 13 кг продавалась по цене 495 долларов (около 4000 долларов сегодня). Его высота составляла около 40 см, ширина 50 см и глубина 30 см. Эта популярная версия проложила путь компактным и более дешевым микроволновым печам, которые используются сегодня. А заодно и уничтожила целую индустрию готовых обедов в алюминиевой посуде — в США это так и называлось «телеобедами».

К концу 60-х микроволновые печи уже имели доступную цену в районе 300-400 долларов и продавались тысячами. А когда что-то идет хорошо, на это сразу же обращают внимание власти. В 1968 году появился «Закон о радиационном контроле для здоровья и безопасности», в котором установили, сколько максимально может «утекать» микроволнового излучения из печи — 10 Вт/м2 на расстоянии 5 см.

Ассоциация производителей бытовой техники (AHAM) тут же сообщила, что у них нет никаких проблем с этим: есть и система блокировки, и специальная сетка на дверце, и фильтры. Однако правительственное исследование, проведенное в больнице Уолтера Рида в Вашингтоне показало, что достаточно многие микроволновые печи не соответствовали значению в 10 Вт/м2. А в 1970 году Бюро радиологического здравоохранения США еще ужесточило это требование: 5 Вт/м2 в течение всего срока службы микроволновки. Требование действует до сих пор.

Производители протестовали и заявили, что такое ужесточение стандартов «увеличит производственные затраты и будет препятствовать широкому использованию устройства». Их никто не послушал. В результате не только в США, но и в Японии и Европе были вынуждены менять подход.

Но сказать, что это негативно повлияло на продажи, нельзя. В Соединенных Штатах с 1968 по 1975 годы ежегодные продажи выросли с 40 000 до 1 миллиона штук. А в Японии Sharp отчитался о двух миллионном проданном экземпляре микроволновки. В тот же период стали появляться модели с микропроцессорным управлением: теперь можно было настроить автозапуск и поставить нужный режим нагрева и мощность — красота.

В СССР первые микроволновки начали производиться в 1978 году на предприятии «Плутон», не считая всяких экспериментальных огромных печей 60-х годов вроде «Волжанка» и «Славянка». Весила первая модель «Электроника СП-01» порядка 40 кг и стоила на начало 80-х годов порядка 400 рублей при средней зарплате до 200 рублей. Поэтому позволить себе ее могли немногие.

Но думаю, что обзор моделей микроволновок из Советского Союза мы сделаем как-нибудь в другой раз. Потому что я наконец-то доел свой бутерброд.

А какая у вас микроволновка дома, как часто пользуетесь и что думаете по поводу ее вреда? Делитесь в комментариях!

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

– специальный электронный прибор, в котором генерирование сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ-колебаний) осуществляется модуляцией электронного потока по скорости. Магнетроны значительно расширили область применения нагрева токами высокой и сверхвысокой частоты. Менее распространены основанные на том же принципе амплитроны (платинотроны), клистроны, лампы бегущей волны.Магнетрон является наиболее совершенным генератором сверхвысоких частот большой мощности. Это хорошо эвакуированная лампа с электронным потоком, управляемым электрическим и магнитным полями. Они позволяют получать весьма короткие волны (до долей сантиметра) при значительных мощностях.В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Между электродами подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле, под действием которого вырываемые из подогретого катода электроны устремляются к аноду. Анодный блок помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона. Под действием магнитного поля электрон отклоняется от радиального направления и движется по сложной спиральной траектории. В пространстве между катодом и анодом образуется вращающееся электронное облако с языками, напоминающее ступицу колеса со спицами. Пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания. Рис. 1. Анодный блок магнетронаКаждый из объемных резонаторов представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами. Электрическое поле концентрируется у щелей, а магнитное поле сосредоточено внутри полости. Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи индуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резонатора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке. Рис. 2. Устройство магнетронаНагрев токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения или в объемных резонаторах, в которых возбуждаются электромагнитные волны простейших форм ТЕ10(Н10) (в волноводах) или ТЕ101 (в объемных резонаторах). Нагрев может осуществляться и излучением электромагнитной волны на объект нагрева. Питание магнетронов осуществляется выпрямленным током с упрощенной схемой выпрямителя. Установки очень малой мощности могут питаться переменным током. Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.Рис. 2. Магнетрон в СВЧ-печиПростота устройства и относительно невысокая стоимость магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью нагрева и разнообразием применения токов СВЧ открывают перед ними большие перспективы применения в различных областях промышленности, сельского хозяйства (например, в установках диэлектрического нагрева) и в быту (СВЧ-печи).Итак, магнетрон это электронная лампа специальной конструкции, служащая для генерации колебаний ультравысоких частот (в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн). Ее особенностью является применение постоянного магнитного поля (для создания нужных путей движения электронов внутри лампы), откуда магнетрон и получил свое название.Многокамерный магнетрон, идея которого была впервые предложена М. А. Бонч-Бруевичем и осуществлена советскими инженерами Д. Е. Маляровым и Н. Ф. Алексеевым, представляет собой сочетание электронной лампы с объемными резонаторами. Этих объемных резонаторов в магнетроне делается несколько, почему этот тип и получил название многокамерного или многорезонаторного.Принцип устройства и работы многокамерного магнетрона заключается в следующем. Анод прибора представляет собой массивный полый цилиндр, во внутренней поверхности которого сделан ряд полостей с отверстиями (эти полости и являются объемными резонаторами), катод расположен по оси цилиндра. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра. На вылетающие из катода электроны со стороны этого магнитного поля действует сила Лоренца, которая искривляет пути электронов.Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по искривленным путям, не касающимся анода. Если в камерах прибора (объемных резонаторах) происходят электрические колебания (небольшие колебания в объемах всегда возникают по разным причинам, например, в результате включения анодного напряжения), то переменное электрическое поле существует не только внутри камер, но и снаружи, около отверстий (щелей).Электроны, пролетая вблизи анода, попадают в эти поля и в зависимости от направления поля либо ускоряются, либо тормозятся в них. Когда электроны ускоряются полем, то они отбирают энергию от резонаторов, наоборот, когда они тормозятся, то отдают часть своей энергии резонаторам. Если бы число электронов, которые ускоряются и тормозятся, было бы одинаково, то в среднем они не отдавали бы резонаторам энергии. Но электроны, которые тормозятся, после этого имеют меньшую скорость, чем та, которую они получили при движении к аноду. Поэтому они уже не обладают достаточной энергией, чтобы вернуться к катоду.Наоборот, те электроны, которые ускорялись полем резонаторов, обладают после этого энергией, большей, чем нужно для того, чтобы вернуться к катоду. Следовательно, электроны, которые, попав в поле первого резонатора, ускоряются в нем, вернутся на катод, а те, которые затормозятся в нем, не вернутся па катод, а будут двигаться по криволинейным путям около анода и попадать в поле следующих резонаторов.При соответствующей скорости движения (которая определенным образом связана с частотой колебаний в резонаторах) эти электроны будут попадать в поле второго резонатора при такой фазе колебаний в нем, что и в поле первого резонатора, поэтому в поле второго резонатора они также будут тормозиться.Таким образом, при соответствующем подборе скорости электронов, т. е. анодного напряжения (а также и магнитного поля, которое не изменяет величины скорости электронов, по изменяет ее направление), можно добиться такого положения, что отдельный электрон будет либо ускоряться полем только одного резонатора, либо тормозиться полем нескольких резонаторов.Поэтому в среднем электроны будут больше энергии отдавать резонаторам, чем забирать от них, т. е. колебания, происходящие в резонаторах, будут нарастать и в конце концов в них установятся колебания с постоянной амплитудой.Рассмотренный нами упрощенно процесс поддержания колебаний в резонаторах сопровождается еще одним важным явлением, т. к. электроны, для того чтобы они тормозились полем резонатора, должны влетать в это поле при определенной фазе колебаний резонатора, то очевидно, что они должны двигаться не равномерным потоком (т. к. тогда они влетали бы в поле резонаторов в любые, а не в определенные моменты времени, а в виде отдельных сгустков.Весь поток электронов для этого должен представлять собой как бы звезду, в которой электроны движутся внутри отдельных лучей, а вся звезда в целом вращается вокруг оси магнетрона с такой скоростью, что ее лучи в нужные моменты подходят к каждой камере. Процесс образования отдельных сгустков в электронном потоке называется фазовой фокусировкой и осуществляется автоматически под действием переменного поля резонаторов.Современные магнетроны способны создавать колебания вплоть до самых высоких частот сантиметрового диапазона (волны до 1 см и даже короче) и отдавать мощность до нескольких сот ватт при непрерывном излучении и нескольких сот киловатт при импульсном излучении.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *