Magnetrón

Magnetrón (magnetron) je zariadenie vyrábajúce vysokofrekvenčné elektromagnetické vlnenie - mikrovlny. Pracuje na princípe ohýbania toku elektrónov pomocou silného magnetického poľa. V praxi sa využívajú dve základné vlastnosti mikrovĺn – odraz od kovových predmetov (radar) a ohrievanie vody a vodu obsahujúcich látok (mikrovlnná rúra). Magnetron je zariadenie skonštruované v štyridsiatych rokoch minulého storočia pre vojenské účely a pre použitie v rádiotechnike. Principiálne ide o elektrónku, schopnú generovať elektromagnetické žiarenie v oblasti mikrovĺn.

Konštrukcia

Konštrukcia magnetronu je pomerne jednoduchá. Vo vnútri vákuovanej trubice sa nachádza kovový valček – katóda mikrovlnnej elektrónky, ktorá je obklopená kovovým blokom – anódou elektrónky so zvláštnou štruktúrou. Sú v nej vytvorené komôrky (rôzne štrbiny). Od anódy vedie k vršku trubice kovový pásik, ktorý slúži ako anténa. Ku anóde sú pripevnené chladiace rebrá a celá zostava je umiestnené medzi dvoma silnými feritovými magnetmi.

Princíp činnosti

Valček tvoriaci katódu je nahrievaný elektrickým prúdom a tým sa z neho uvoľňujú elektróny. Elektróny sú urýchľované elektrickým poľom smerom k anóde. Feritové magnety vytvárajú v trubici magnetické pole, ktorého indukcia (siločiary indukcie) sú kolmé k dráhe elektrónov a keďže žiarenie z katódy má časticový charakter je magnetickým poľom ovplyvnená ich dráha. Elektróny sa v magnetickom poli nepohybujú priamočiaro od stredu k obvodu, ale stáčajú sa, ich dráha sa zakrivuje. To znamená, že dopadnú na komoru anódového segmentu zboku.

Jednotlivé komory anódového bloku sa vďaka svojmu tvaru začnú chovať ako miniatúrne oscilačné (LC) obvody. Štrbina komôrky hrá úlohu elektrického kondenzátora, vodivý blok komôrky, ktorý spája okraje štrbín hrá rolu cievky. Elektróny nabijú jeden okraj komory (jednu dosku kondenzátora), takže začne tok prúdu okolo komory (akoby v cievke) na druhý okraj komory. Okraje komôr sú spoločné, preto má susedná komora opačnú polaritu (počet komôr musí byť párny). Prechod prúdu „cievkou“ vyvolá následné magnetické pole, ktoré v druhej polovici cyklu indukuje prúd s opačnou polaritou prechádzajúci komôrkou. V komôrkach vznikne (rovnako ako v oscilačnom LC obvode) striedavý prúd o vysokej frekvencii, ktorý vyvolá elektromagnetické vlnenie vysielané cez kovový pásik – anténu do vyžarovacieho priestoru. Vyžiarená energia spôsobí vybitie oscilačného LC obvodu, ktoré sa v cykle znova nabíjajú prúdom elektrónov z katódy.

Toto je len jednoduchý pohľad na funkciu magnetronu. Celý princíp je postavený na presnom tvare oscilačných komôrok, tvare katódy, veľkosti prúdov, napätí a pod.

Mikrovlnné žiarenie

Mikrovlnné žiarenie je elektromagnetické žiarenie o frekvenciách 300 MHz až 30 GHz. Toto rozpätie zodpovedá vlnovej dĺžke od 1 cm do 1 m. Mikrovlnné žiarenie sa šíri vo formé vĺn od zdroja – magnetronu do vyžarovacieho priestoru. V tomto priestore sa mikrovlny odrážajú od kovových predmetov a vytvárajú tak smerové mikrovlnné pole. Jediným dokázaným účinkom na biologický materiál je tepelný účinok. Tento účinok ovplyvňuje frekvencia mikrovĺn, zloženie materiálu, obsah vody, štruktúra a pod.. Materiály obsahujúce vodu - potraviny, drevo i organizmy absorbujú energiu mikrovĺn a premieňajú ju na energiu tepelnú. Molekuly vody sú elektricky neutrálne, pričom však majú dipolárny charakter (rôzne konce molekuly sú rôzne elektricky nabité). V elektrickom poli sa preto orientujú podľa smeru okolitého poľa. Pri rýchlych zmenách – striedaní poľa sa molekuly vody rozkmitajú a trením o seba a okolité prostredie sa nahrievajú.

Na rozdiel od iných metód nahrievania, ktoré pôsobia nahrievaním povrchu a prestupom tepla do látky pôsobia mikrovlny hĺbkovo v celom objeme materiálu, priamo na molekuly vody a na látky obsahujúce vodu.

Použitie

Vlastnosť odrazivosti od kovových predmetov sa používa v radaroch na detekciu a meranie rýchlosti kovových predmetov (automobily, lietadlá, meranie vzdialenosti). Využíva sa Dopplerov jav (vyjadruje závislosť frekvencie vĺn, registrovaných prijímateľom, od rýchlosti pohybu prijímateľa relatívne voči zdroju vlnenia).
Odrazivosť od polarizovaných predmetov (nabitých nábojom) napr. v meteorológii vidí meteorologický radar mračná (resp. náboj v nich).
Na meranie krátkych vzdialeností.
Na naprašovanie tenkých kovových vrstiev vo vákuu.
V spektrálnych analyzátoroch.
Vlastnosť nahrievania sa využíva v mikrovlnných rúrach na ohrev potravín.
V lekárstve – mikrovlnné žiarenie z magnetrónu sa privádza do lineárneho urýchľovača častíc LINAC (LINear Accelerator), ktorý slúži na urýchlenie elektrónov na rýchlosť, blízku rýchlosti svetla. Takto urýchlené elektróny s vysokou energiou sú usmernené buď priamo na nádor alebo na wolfrámový terčík, ktorý premieňa energiu elektrónov na prenikavejšie röntgenové žiarenie.
Na vysúšanie dreva (reziva). Vyrábajú sa veľkorozmerové mikrovlnné sušiarne reziva. Výhodou je nízka spotreba energie na sušenie.
Na vysúšanie muriva – opäť sa využíva selektívnosť a prenikavosť do hĺbky múra.
Na ochranu umeleckých pamiatok pred škodcami (staré umelecké pamiatky napadnuté hmyzom, mikroorganizmami, parazitmi, hubami a plesňami) sa žiarením dezinfikujú bez poškodenia. Využíva sa prenikanie žiarenia do hĺbky.
Na selektívny ohrev (ohrev len látky obsahujúcej vodu) v laboratóriách.
Pri sanácii betónu v jadrových elektrárňach. Betón, ktorého povrchová vrstva je rádioaktívna sa nahrieva mikrovlnným žiarením takej intenzity, že voda obsiahnutá v betóne sa zmení na paru a tá svojim tlakom rozdrví na kamienky povrchovú vrstvu betónu, ktorý sa potom jednoducho odstráni.
Pre nahrievanie oxidov a sulfidov v metalurgii kovov (mikrovlnné praženie).
Pre urýchlenie chemickej reakcie účinkom mikrovĺn (v závislosti od dielektrických vlastností). Lúhovadlá, schopné priamo absorbovať mikrovlny urýchľujú reakčnú rýchlosť. Ióny roztoku interagujú veľmi silne s mikrovlnným poľom. Výhodou je, že reakcie môžu prebiehať aj za sucha, alebo pri vysokej hustote roztokov.
V technike pri spracovaní plastov a skla, vulkanizácií gumy, tavení kovov, pri spracovaní uhlia a keramických materiálov a pod.

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Magnetrón