マグネトロン

マグネトロン

マグネトロンは電子レンジの中で電磁波を発生させる重要な装置です。

物理

キーワード

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シーン

電磁波

  • 電磁スペクトル
  • 波長
  • 周波数
  • 警告灯 - 電磁波の中で生物に被害を起こす波もあります。

電磁波の一種であるマイクロ波の周波数が0.3GHz300GHzの間であり、波長が1メートル1ミリメートルの間です。最も一般的には電子レンジ、レーダー、携帯電話、Wi-fiとブルートゥース接続、そして地上テレビ放送に利用されています。

電磁波は我々の生活の幅広い範囲で使われています。音以外も、情報の取得には不可欠です。電磁波は波長周波数が様々ですが、発生と伝搬方法は基本的に同様です。

電磁波は電場における急な変化によって発生します。電場は変化すると、磁場が発生します。そして、磁場における変化によって電場が誘導されます。この過程が次々と繰り返されます。電磁波はこのように伝搬されます。

周波数が様々な電磁波は異なる状況で発生するので、環境に対する効果も異なります。このため、別の波としてみなされています。

電磁波は(波長が長い方から見ると)このような種類に分類化されています:電波マイクロ波赤外線可視光紫外線X線ガンマ線です。

これらのカテゴリーは更に分類化されています。例えば、電波の中でも波長によって長波中波短波超短波があります。可視光は色によって区別されています:赤、オレンジ色、黄色、緑、青、紫に分けられ、紫外線UV-AUV-B放射が区別されます。

一般的に言うと、電磁波の波長が短いほど、周波数が高くなることによってエネルギーが大きくなり、そしてより大きな被害を起こします。

電子レンジ

  • 保護ホイルで覆われたドア - 加熱室からマイクロ波が出ることを防ぎます。
  • 加熱室
  • カバ―
  • コントロールパネル
  • ターンテーブル

光と同様に、電磁波の一種であるマイクロ波波長がより長いです:1ミリメートルと1メートルの間の幅広い範囲で変わります。電子レンジには波長がおよそ12センチです。

電子レンジの加熱効果水分子電気双極子であることに基づいています。その意味とは、水分子の水素は正電荷を持ち、酸素の部分は負の電荷を持っています。水分子は電子レンジの定期的に変わっている電場に配列しようとするため、振動するようになります。この振動は分子の運動エネルギーを上昇します。その結果として、電子レンジに置かれた食べ物の温度上がりました。

マグネトロンは電気を使ってマイクロ波を発生します。マイクロ波は導波管によって加熱室に向けられます。そこでは、扇風機の翼に散乱させられます。加熱室の金属製の壁によって反射され、波は食べ物に入り、過熱させます。

電子レンジのドアは保護用のメッシュに覆われています。このメッシュはマイクロ波が加熱室から避けることを防ぎます。この保護用の層がなければ、電子レンジの前に立っている我々の体も加熱され、やけどします。

電子レンジの構造

  • マグネトロン - 電気を使ってマイクロ波を発生します。
  • 変圧器 - 交流電気の電圧をマグネトロンの作動に必要な値に変換します。

マグネトロンの仕組み

  • カバー
  • 磁石
  • ヒートシンク
  • プラグ

電子レンジ、レーダーなど高性能のマイクロ波の源においてはマグネトロンが一般的に放射線源となっています。マグネトロンとは特徴的な電子管です。その中には、負の電荷を持つ陰極から正電荷を持つ陽極の方に電子が高速度で流れます。しかし、一般的な電子管と異なって、マグネトロンの中の電子軌跡が違ってきます。動きがジグザグになることによってマイクロ波が発生します。

陰極と陽極

  • 陰極 - 過熱された状態で電子を放出します。
  • 陽極 - 正電荷を持つ陽極は電子を引き取ります。
  • 電子軌跡 - 磁場はなければ、電子が直線に動きます。

マグネトロンの中心には正電荷を持つ環状の陽極に囲まれたまま加熱された陰極があります。陰極によって放出された電子は外側に、要欲の方に流れ始めます。
マグネトロンの上と下に強い磁石が置いてあるため、磁場が発生します。その磁場ではローレンツ力が作用するため、電子は曲がっているらせん状の軌道に乗ります。陽極に辿り着く前、陰極の方にも戻ったりします。

実際のマグネトロンには、陽極に開けられた空洞も電子の軌道に影響を及ぼしています。これらの孔は電子振動子として機能し、電子が特定の周波数で振動させます。

これらの複雑な軌道で、電子が集まりやすいホットスポットがあります。これらの場所で、電子は特定のリズムで公転します。この回転している電場によってマイクロ波が発生します。

ローレンツ力

  • 磁束線
  • 磁石
  • 電子軌跡 - 空洞がなければ、電子軌跡は磁石に影響によりらせん状になります。

ローレンツ力の強さが以下の公式で求められます:

F = q * B * v * sin α

qは粒子の電荷であり、B磁気誘導の大きさです。v粒子の速度であり、α (アルファ)は速度と磁束線(vとBベクトル)の間の角度です。vとBは平行の場合は力が作用せず、vとBは垂直の場合は最大の力が生じます。

空洞の役割 ‐ 共振回路

  • 空洞 - 電子振動子として機能します。
  • 電場 - 空洞において定期的に変わります。
  • スポーク - 形とサイズはマイクロ波の周波数に影響をもたらします。
  • アンテナ - マイクロ波はこれを通じてマグネトロンから出ます。
  • 共振回路 - 電場を定期的に、特定の周波数で変化させます。

陽極の中の空洞共振回路として機能します。共振回路とは、電荷は指定された周波数で流れる電子回路です。ブランコに似ている感じで、一回押されて動きだすと、他の外部影響がなくてもその指定された周波数で前と後ろに動き続けます。

共振回路蓄電器コイルで構成されています。しかし、マグネトロンの場合は、空洞の入り口は蓄電器の代わりに、その役割を果たしています。空洞を構成する物質はコイルとして働き、その中で電気が流れます。

外部影響により、環状の空洞の壁に沿って電荷が円形に流れ始めると、電流磁場を誘発するとき振動電流が発生します。空洞の入り口に電荷が集まることによって電流が弱くなります。それ故に、磁場も弱くなります。しかし、磁場の変化のため、自己誘導が行われ、電場が発生します。電場は短期間電荷を同じ方向に押すことができますが、結果的な空洞の入り口により多くの電荷が集まり、 過程が新たに始まります。

過程が完全に止まる前に、集まった電荷は反対側の電極に流れ始めるため、電流の方向も変わります。その後はこの過程も新たに始まります。電流は指定された周波数定期的に変わります。この過程はシステムのエネルギーがなくなるまでに続きます。マグネトロンの周波数は空洞の物理的な特徴によるので、それを調節することによって適合されます。空洞に流れる振動電流は陰極を中心と回っている電子に影響を及ぼし、安定感がない振動している電流を派生します。マイクロ波がこのように発生します。

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