Magnetron

Magnetron

Uno dei più importanti componenti del forno a microonde è il magnetron, che produce le microonde.

Fisica

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Onde elettromagnetiche

  • Spettro elettromagnetico
  • Lunghezza d'onda
  • Frequenza
  • Spia - Alcune onde elettromagnetiche sono dannose per gli esseri viventi.

Le microonde sono un tipo di radiazione elettromagnetica con frequenze comprese approssimativamente tra 0,3 GHz e 300 GHz e, di conseguenza, lunghezze d'onda comprese tra 1 metro ed 1 millimetro. Sono più comunemente utilizzate nei forni a microonde, nei radar, nei telefoni cellulari, nelle connessioni Wi-Fi e Bluetooth o nelle trasmissioni televisive terrestri.

Le radiazioni elettromagnetiche sono costantemente presenti intorno a noi. Oltre ai suoni, raccogliamo la maggior parte delle nostre informazioni sul nostro ambiente attraverso onde di questo tipo. I vari tipi di onde elettromagnetiche differiscono solo per la loro lunghezza d'onda e quindi per la loro frequenza; il modo in cui vengono prodotte e propagate è sostanzialmente lo stesso.

Le onde elettromagnetiche sono prodotte da improvvisi cambiamenti che si verificano in un campo elettrico. Quando un campo elettrico cambia, viene generato un campo magnetico; e quando il campo magnetico cambia, viene indotto un campo elettrico e questo processo continua ripetutamente. In questo modo si propagano le onde elettromagnetiche.

Onde elettromagnetiche di frequenze diverse si formano in circostanze diverse ed hanno un impatto diverso sul loro ambiente. Questo è il motivo per cui sono considerate onde diverse.

Lo spettro elettromagnetico include i seguenti tipi di onda (elencati in ordine decrescente in base alla loro lunghezza d'onda): onde radio, microonde, radiazione infrarossa, luce visibile, radiazione ultravioletta, raggi X e raggi gamma.

Queste categorie possono essere ulteriormente suddivise in sottocategorie. Ad esempio, vi sono onde radio lunghe, medie, corte e ultra corte; nella luce visibile si possono ditinguere i colori ben noti: rosso, arancione, giallo, verde, blu, viola; nel caso delle radiazioni ultraviolette, possiamo parlare delle radiazioni UV-A e UV-B.

In generale, minore è la lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica, maggiore è la sua frequenza e, di conseguenza, la sua energia, il che significa che può causare più danni.

Forno a microonde

  • porta con rete protettiva - Impedisce alle radiazioni di fuoriuscire dalla cavità di cottura.
  • cavità di cottura
  • involucro
  • pannello di controllo
  • piattaforma girevole

Le microonde sono onde elettromagnetiche, proprio come la luce, ma la loro lunghezza d'onda è maggiore: varia da 1 mm a 1 m. Nei forni a microonde, la lunghezza d'onda è di circa 12 cm.

L'effetto di riscaldamento delle microonde si basa sulla proprietà del dipolo elettrico delle molecole d'acqua, il che significa che sono parzialmente caricate positivamente sul lato dell'idrogeno e parzialmente caricate negativamente sul lato dell'ossigeno. Le molecole d'acqua provano ad allinearsi al campo elettrico delle microonde che cambia periodicamente, cosa che le fa vibrare, portando ad un aumento della loro energia cinetica. Di conseguenza, aumenta la temperatura del cibo ricco di acqua posto nel forno a microonde.

Il magnetron genera microonde utilizzando corrente elettrica, che viene indirizzata nella cavità di cottura da una guida dell'onda. Lì vengono sparse dalle pale di una ventola. Riflesse dalle pareti metalliche interne della cavità di cottura, le onde entrano nel cibo e lo riscaldano.

La porta del forno a microonde è dotata di una rete protettiva che impedisce alle microonde di fuoriuscire dalla cavità di cottura. Senza questo strato protettivo, i nostri tessuti corporei si riscalderebbero anche stando in piedi vicino al forno a microonde, il che potrebbe causare ustioni.

Costruzione del forno a microonde

  • magnetron - Genera microonde usando corrente elettrica.
  • trasformatore - Converte la tensione di alimentazione CA nel valore necessario per il magnetron.

Costruzione del magnetron

  • Involucro
  • Magnete
  • Radiatore
  • Spina

Nelle fonti a microonde ad alte prestazioni, come forni a microonde o radar, la fonte della radiazione è di solito un magnetron.
Un magnetron è un tubo elettronico speciale in cui gli elettroni fluiscono ad alta velocità dal catodo caricato negativamente verso l'anodo caricato positivamente. Tuttavia, contrariamente ai tradizionali tubi elettronici, gli elettroni seguono una traiettoria più complessa all'interno del magnetron e, a seguito del loro movimento a zig-zag, producono microonde.

Il catodo e l'anodo

  • Catodo - In uno stato riscaldato, rilascia elettroni.
  • Anodo - L'anodo a forma di anello a carica positiva attira gli elettroni.
  • Traiettoria degli elettroni - Senza il campo magnetico gli elettroni si muoverebbero in linea retta.

Al centro del magnetron c'è un catodo riscaldato, circondato da un anodo a forma di anello caricato positivamente. Il catodo rilascia elettroni che iniziano a fluire verso l'esterno, ovvero verso l'anodo.
Dato che nella parte superiore ed inferiore del magnetronvi sono magneti potenti, viene prodotto un campo magnetico, in cui si forma una forza di Lorentz e la traiettoria degli elettroni diventa curva, a spirale, con anelli occasionali, prima che raggiungano l'anodo.

Nei magnetron pratici la traiettoria degli elettroni è influenzata anche dalle cavità presenti all'interno dell'anodo. Queste cavità funzionano come oscillatori elettronici, ovvero costringono gli elettroni ad oscillare ad una frequenza specifica.

Queste traiettorie complesse hanno alcuni punti caldi in cui si accumulano gli elettroni, formando una struttura simile ad un raggio che ruota ad uno specifico ritmo. Questo campo elettrico rotante produce le microonde.

Forza magnetica di Lorentz

  • Linee di induzione magnetica
  • Magnete
  • Traiettoria degli elettroni - Senza cavità, ma in presenza di magneti la traiettoria degli elettroni è una spirale.

L'entità della forza di Lorentz può essere calcolata per mezzo della seguente formula:

F = q * B * v * sin α

dove q è la carica della particella, B è la grandezza dell'induzione magnetica, v è la velocità della particella e α (alfa) è l'angolo tra la velocità della particella e le linee di induzione magnetica (vettori v e B).
Pertanto non vi è alcuna forza quando v e B sono paralleli, e la forza massima sorge quando v e B sono perpendicolari.

Il ruolo delle cavità - il circuito risonante

  • Cavità - Funziona come un oscillatore elettronico.
  • Campo elettrico - Cambia periodicamente nelle cavità.
  • Raggio - La sua forma e dimensione influenzano la frequenza delle microonde.
  • Antenna - Le microonde fuoriescono dal magnetron attraverso di esso.
  • Circuito risonante - Cambia il campo elettrico periodicamente, ad una frequenza specifica.

Le cavità all'interno dell'anodo funzionano come circuiti risonanti elettronici. Un circuito oscillatore è un circuito elettronico in cui le cariche fluiscono avanti e indietro ad una frequenza specifica. È simile ad un'oscillazione perché se si spinge l'oscillazione una volta, questa si sposta sia in avanti che all'indietro ad una certa frequenza, senza alcun impatto esterno aggiuntivo.

Un circuito risonante è costituito da un condensatore e da una bobina. Tuttavia, nel caso dei magnetroni, l'apertura della cavità è ciò che svolge il ruolo del condensatore e la bobina viene sostituita con il materiale della cavità stessa, in cui scorre la corrente elettrica.

La corrente oscillante si forma quando, a causa di un impatto esterno, le cariche iniziano a fluire lungo la parete della cavità ad anello in una traiettoria circolare e la corrente elettrica genera un campo magnetico. Le cariche si accumulano all'apertura della cavità, causando un indebolimento della corrente elettrica e, di conseguenza, anche il campo magnetico si indebolisce. Ma, a causa del cambiamento del campo magnetico, si verifica l'autoinduzione, generando un campo elettrico che può continuare a spingere gli elettroni nella stessa direzione per un breve istante, causando infine l'accumulo di ancora più cariche all'apertura della cavità.

Quando il processo sta per arrestarsi completamente, le cariche accumulate iniziano a fluire all'indietro verso le cariche opposte, cioè la direzione della corrente diventa opposta e l'intero processo ricomincia.
Pertanto la corrente elettrica cambierà periodicamente, ad una frequenza specifica, fino a quando il sistema si esaurisce. La frequenza del magnetron dipende dalle dimensioni fisiche della cavità, quindi può essere regolata modificando le dimensioni della stessa. La corrente oscillante che scorre nelle cavità influisce sul flusso di elettroni attorno al catodo, generando corrente pulsante invece di un flusso costante. Ecco come vengono prodotte le microonde.

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