Magnetrón

Magnetrón

La energía eléctrica no puede ser almacenada con la tecnología actual, por lo que es necesario que se utilice inmediatamente o se almacene en otra forma de energía, en este caso se tratará implícitamente la conversión de energía eléctrica a electromagnética por medio de un aparato de la industria conocido como magnetrón; este funciona cuando se le atraviesa una corriente eléctrica al filamento y se pone una diferencia de potencial positiva en el tubo metálico que lo rodea con respecto al filamento, los electrones que rodean al filamento después de haberse calentado empiezan a tomar una forma de espiral alrededor del filamento debido a la interacción con el campo magnético de los imanes que rodean al magnetrón, esto genera unas ondas electromagnéticas que tienen diferentes aplicaciones, entre las más conocidas el radar y el horno microondas. Por lo que el presente artículo hará una breve descripción del magnetrón.

  

Índice de Términos—Ánodo, cátodo, ley de Ampere, onda electromagnética, diferencia de potencial, corriente eléctrica.

I.     Introducción

L

a energía eléctrica no se puede almacenar, por lo que hay que utilizarla inmediatamente o almacenarla de alguna otra manera; existen diferentes tipos de energía, tales como la química, mecánica (cinética, potencial), eléctrica, electromagnética, entre otras. En este caso se trata implícitamente la transformación de energía eléctrica en energía electromagnética en forma de microondas, esto se hizo buscando alimentar a un radar mediante una fuente radio eléctrica potente, sólo hacia el final de los años 30 se fue desarrollando, se logró ese objetivo y con una longitud de onda centimétrica.

El magnetrón es un tubo electrónico tipo diodo usado para producir la energía de microondas de 2450MHz, fue desarrollado originalmente a partir de la válvula de Klystron en la Universidad de Birmingham (Inglaterra) por el profesor M. L. Oliphant, en el otoño de 1939. El magnetrón básicamente está compuesto de un ánodo, un cátodo (filamento), una antena y unos imanes.

II.     Partes de un Magnetrón

El magnetrón posee básicamente 5 partes ya mencionadas, ahora serán definidas, en el momento no será fácil de comprender qué hace cada uno, pero a medida que va avanzando el artículo las dudas se irán aclarando; el ánodo, también conocido como placa, es un cilindro hueco de hierro desde el cual se proyecta un número par de paletas hacia adentro, la figura 1 muestra un bloque de ánodo.

Figura 1. Ánodo.

Las zonas abiertas en forma de trapezoide entre cada una de las paletas son las cavidades resonantes que sirven como circuitos sintonizados y determinan la frecuencia de salida del tubo. [1]

Para que el ánodo tenga un buen funcionamiento, los segmentos alternos deben sujetarse para que cada segmento sea de polaridad opuesta a la de los segmentos adyacentes; por consiguiente, las cavidades se conectan en paralelo respecto a la salida.

El filamento, conocido también como calefactor, sirve como cátodo en el tubo, está ubicado en el centro del magnetrón, sostenido mediante unas puntas blindadas dentro del tubo.

La antena es un círculo conectado con el ánodo que se extiende por una de las cavidades sintonizadas, se acopla a la guía de onda hacia la que transmite el microondas.

El campo magnético lo producen unos imanes colocados en el exterior del magnetrón, de hecho alrededor, con el objeto de que el campo magnético sea paralelo al eje del cátodo (filamento). La figura 2 muestra la sección transversal de un magnetrón.

Figura 2. Sección transversal de un magnetrón.

III.     Funcionamiento

La explicación de las partes de un magnetrón es confusa en algunas secciones, al hablar del funcionamiento se busca aclarar estas dudas.

El filamento es por lo general de titanio, se le atraviesa una corriente eléctrica, se calienta y produce una nube de electrones a su alrededor; como se mencionó anteriormente, el filamento está en el centro de un tubo metálico, al cual se le aplica una diferencia de potencial positiva con respecto al filamento, de hecho, es una alta tensión, lo cual hace que los electrones de la nube sean atraídos, los electrones idealmente viajarían en una forma radial y como se están moviendo producirían un campo magnético a su alrededor por ley de Ampere, pero no hay que olvidar que existen unos imanes alrededor del magnetrón, estos campos magnéticos interactúan entre sí de tal manera que hacen que los electrones se muevan en forma de espiral alrededor del filamento.

Los electrones al viajar en forma de espiral producirán unas oscilaciones de alta frecuencia en cavidades metálicas, por lo que se generará una onda electromagnética, la cual será perpendicular a su desplazamiento, onda que es expulsada por un orificio de la cavidad, el cual hace la función de guía de onda.

Hasta el momento todo se ve muy interesante, pero hay que tener presente que los imanes alcanzan cierta temperatura en la cual ya dejan de funcionar, esa es la temperatura de Curie, por lo cual los magnetrones industriales se enfrían con agua o con un sistema de dispersión que consta de unas aspas metálicas que, por el principio de resonancia, servirán para filtrar las ondas electromagnéticas producidas. La figura 3 muestra como se ve un magnetrón.

Figura 3. Magnetrón.

IV.     Imanes

Los imanes de neodimio son utilizados en los magnetrones, su temperatura de Curie está aproximadamente entre los 200ºC, motivo por el cual se recomienda no trabajar a más de 80ºC, como se ha mencionado los magnetrones industriales son refrigerados con agua, por lo que la temperatura de trabajo no sobrepasa de 50ºC.

Aunque sería agotador y aburrido estar utilizando el agua como refrigerante, y más en esta época de nuestra vida donde se busca el racionamiento de la misma, por eso se utilizan los imanes de samario-cobalto, imanes que tienen casi la misma fortaleza que los imanes de neodimio, pero su temperatura de Curie está alrededor de los 900ºC, ideales para trabajar con magnetrones.

Los problemas con los imanes de samario-cobalto (Figura 4) son su alto precio y que son difíciles de conseguir. Otros imanes que poseen una temperatura de Curie alta (800ºC) son los imanes de alnico, poseen bastante menos fuerza que los imanes de neodimio, aunque son un poco complicados de conseguir, tienen el gran problema de que pierden el magnetismo con el tiempo.

Figura 4. Imanes de samario-cobalto

Las ferritas podrían ser otra opción, son fáciles de conseguir, económicas, pero su temperatura de Curie es de 200ºC. La figura 5 muestra dos magnetrones, uno con imán de alnico y otro con ferrita.

Figura 5. Magnetrones con imán de alnico y con un toroidal de ferrita.

V.     Aplicaciones

El magnetrón tiene algunas aplicaciones a nuestra vida diaria, se empezó con el radar, los dispositivos de guía de onda están conectados con la antena. El magnetrón funciona con pulsos muy cortos de la tensión aplicada, dando por resultado un pulso corto de la energía de la microonda que es irradiada.

Cuando se instalaron las primeras antenas de radares en Inglaterra, se dieron cuenta que los gorriones cuando pasaban cerca de las antenas salían quemados, un ingeniero al trabajar cerca de las antenas llevaba un chocolate en el bolsillo, después de trabajar se dio cuenta que el chocolate se había vuelto crema, por lo que pensaron en darle un uso doméstico, creando así el horno microondas; las ondas son expulsadas por un orificio, excitan las moléculas de agua de los alimentos, lo que hace que se incremente la temperatura de los alimentos, por eso es que los alimentos de menor temperatura de ebullición se calientan más rápido que otros alimentos.

VI.     Conclusiones

1.      El magnetrón es un medio por el cual se convierte la energía eléctrica en energía electromagnética.

2.      El diseño del magnetrón varía según la compañía que lo fabrique, pero básicamente consta de un filamento, un ánodo, unos imanes a su alrededor y una antena.

3.      Al diseñar el magnetrón hay que tener presente no sólo que funcione el aparato sino lo beneficioso o lo perjudicial que puede ser para el medio ambiente atendiendo las necesidades actuales.

4.      El magnetrón debe ser un circuito cerrado para que pueda funcionar como se espera, por ejemplo, se ha dicho que el ánodo está conectado en paralelo con la salida.

VII.     Bibliografía

[1] http://www.gallawa.com/microtech/Magnetron-basico.html

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetr%C3%B3n

[3]http://www.cientificosaficionados.com/tbo/sputerin

[4]http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Cavity_magnetron

[5]http://www.sapiensman.com/ESDictionary/docs/d2.htm

KLYSTRON

El klistrón o klystron Es una válvula de vacío de electrones en la cual se produce una modulación inicial de velocidad impartida a los electrones. En la última etapa se genera un campo eléctrico que es función de la velocidad modulada del haz de electrones y que finalmente genera una corriente de microondas. Se utiliza como amplificador en la banda de microondas o como oscilador.

Fue inventada en 1937 por los hermanos Russell y Sigurd Varian quienes estudiaban y trabajaban en la universidad estadounidense de Stanford.

Se distinguen dos tipos de klistrones:

• Klistrón de dos cavidades: en una cavidad se modula el haz de electrones por la señal de entrada, y en la segunda cavidad se extrae la señal amplificada.

• Klistrón reflex: sólo contiene una cavidad. El haz de electrones la atraviesa dos veces: en la primera se modula con la señal; se refleja en un electrodo negativo, llamado reflector, y regresa a la cavidad, donde se extrae la señal. Fue de amplio uso como oscilador de microondas en radares y equipos de laboratorio.

Klistrón réflex de cavidad externa

Klistrón utilizado en un centro de investigación de comunicaciones espaciales en Camberra Australia.

Miguel Hernando Rivera Becerra (274408)

usuario: G2N23miguelrivera