마그네트론 (자전관)

마그네트론 (자전관)

전자레인지의 가장 중요한 부품은 바로 마그네트론 (자전관) 인데 마이크로파를 만드는 일부이다.

물리학

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관련 엑스트라

장면

전자파

  • 전자기 스펙트럼
  • 파장
  • 주파수
  • 경고등 - 어떤 전자파는 생물에 해롭다.

마이크로파0.3 GHz 300 GHz 사이의 주파수의 전자기 방사선이다. 부응하여, 파장은 1 미터 그리고 1 밀리미터 사이다. 전자레인지, 전파 탐지기, 핸드폰, 와이파이하고 블루투스 연결, 그리고 지상파 텔레비젼 방송에 가장 흔히 사용된다.

전자기 방사선은 우리 주변에 항상 있다. 우리는 소리 이외, 환경에 대한 가장 많은 정보를 이런 파형에 의해 얻는다. 다양한 종류의 전자파는 파장만 다르기 때문에 그의 주파수, 생성, 그리고 나아가는 방법은 똑같다.

전자파는 전계에서 박갑작스러운 변화가 발생할 때 일어난다. 전계가 바뀔 때에 자기장이 생기며 자기장이 바뀔 때에는 전계가 유발되는데 이 과정은 계속해서 반복된다. 전자파는 이렇게 나아갈 수 있다.

다른 주파수전파는 다른 상황에서 발생되고 환경에 미치는 영향도 다르다. 바로 그것 때문에 다양한 파형으로 여겨진다.

전자기 스펙트럼은 다음 파형을 포함한다 (파장을 따라 내림차순으로): 전파, 마이크로파, 적외선, 가시 광선, 자외 복사선, X선감마선의 순이다.

이 범주들은 또한 두 가지의 하위 범주로 나뉜다. 예를 들어서 길고 중간 길이, 짧고 아주 짧은 전파가 있으며 가시 광선은 잘 알려진 색깔 별로 구분된다. 바로 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색과 보라색이다. 그리고 자외 복사선의 경우, UV-A 그리고 UV-B 방사선이 있다.

일반적으로, 전자파파장이 짧을수록 주파수많으므로 그의 에너지도 커지니까 더 큰 손해를 끼치게 된다.

전자레인지

  • 보호용 박으로 돞은 문 - 요리용 중공부에서 반사가 나가는 것을 막는다.
  • 요리용 중공부
  • 덮개
  • 제어반
  • 회전반

마이크로파는 광과 비슷하게 전자파인데 파장은 더 크다: 1 mm 및 1 m 사이다. 전자레인지에서는 파장이 약 12 cm 이다.

전자레인지의 가열 효과물 분자쌍극자를 기반으로 하는데 다른 말로 수소의 편에 부분적으로 양전하가 부가된 상태이고 산소의 편에는 부분적으로 음전하가 부가된 상태이다. 물 분자들은 전자레인지의 주기적으로 바뀌는 전계에 스스로 맞춰보도록 하므로 진동하게 되고 결과적으로 자기 운동 에너지가 증가될 것이다. 따라서, 전자레인지에 둬 있는 물이 풍부한 음식은 따뜻해진다.

마그네트론은 전류를 이용해서 마이크로파를 발생시키는데 이런 마이크로파는 도파관에 의해 요리용 중공부를 향하게 된다. 또, 선풍기의 날로 갈라지며 퍼지게 된다. 요리용 중공부 안의 금속제 벽에서부터 반사되니까 음식 속으로도 들어가서 그것을 따뜻해지게 한다.

전자레인지의 문에 보호용의 그물망이 있는데 마이크로파가 나가는 것을 막는 역할을 한다. 이 보호층이 없었다면 전자레인지 옆에 서 있을 때 우리 몸의 조직도 따뜻해질 것이고 결과적으로 화상을 입을 것이다.

전자레인지의 구조

  • 전자관 - 전류를 이용해서 마이크로파를 유발시킨다.
  • 변압기 - 교류의 전압을 마그네트론이 필요한 가치로 바꾼다.

마그네트론의 구조

  • 덮개
  • 자석
  • 열 흡수원
  • 플러그

전자레인지레이더 같은 고성능의 마이크로파 원천의 경우, 마그네트론은 보통 방사선의 원천이다. 마그네트론 자체는 전자관인데 이 전자관을 통해서 전자들이 음전하의 음극에서부터 양전하의 양극을 향해서 빠른 속도로 흐른다. 그런데, 전통적인 전자관과 달리, 마그네트론 안에서는 전자들이 더 복잡한 길을 따라가므로 이 지그재그 움직임의 결과로 마이크로파가 생성된다.

음극과 양극

  • 음극 - 뜨거위진 상태의 경우, 전자를 내보낸다.
  • 양극 - 주변의 양전하로 하전된 양극은 전자를 끌어들인다.
  • 전자궤적 - 자기장이 없었더라면 전자들은 직선을 따라 이동할 것이다.

마그네트론 안에는 따뜻해진 음극을 고리 모양의 양전하의 양극이 둘러싼다. 음극은 전자를 배출하는데 전자는 밖으로 양극을 향해 흘러가기 시작한다.
마그네트론 위, 그리고 밑에도 강한 자석이 놓여 있기 때문에 자기장이 생기며 그 속에서 로렌츠 힘이 발생하므로 전자들이 가는 길은 곡선 혹은 나선 모양이 되고 어떨 때 양극에 이루기 전에 고리 모양도 따라간다.

실제로 이용되는 마그네트론의 경우에는 양극 속의 구멍들도 전자가 따라가는 길에 영향을 미친다. 이런 구멍들은 발진기처럼 작동하는데 즉 한 지정된 주파수에 전자들진동하게 만든다.

이런 복잡한 길들은 과열점이 여기저기 있는데 전자들이 쌓여서 바퀴살 같은 모양이 생기며 지정된 속도 회전한다. 이 회전하고 있는 전계마이크로파를 생성시킨다.

자성 로렌츠 힘

  • 자기 유도선
  • 자석
  • 전자궤적 - 구멍이 없었다면 전자들은 자석 때문에 나선을 따라 이동할 것이다.

로렌츠 힘의 강도는 다음 공식에 따라 계산된다:

F = q * B * v * sin α

q는 입자의 전하, B자기유도의 강도, v입자의 속도, 그리고 α (알파) 는 입자 속도하고 자기 유도선 간의 각도를 뜻한다. (v 및 B 벡터)
따라서, 하고 가 평행한 물리력이 없고 최대한 물리력은 하고 가 서로 수직일 때 나올 수가 있다.

구멍의 역할 - 공진 회로

  • - 발진으로서 작동한다.
  • 전계 - 구멍에서는 주기적으로 바뀐다.
  • 바퀴살 - 모양과 크기는 마이크로파에 영향을 미친다.
  • 안테나 - 마이크로파는 이것을 통해서 마그네트론에서 나간다.
  • 공진 회로 - 전계를 주기적으로, 지정된 빈도로 바꾼다.

양극 안의 구멍들전자 공진 회로로서 기능을 한다. 발진기 회로란 안에서 전하가 한 지정된 주파수에 따라 앞뒤 흘러가는 전자 회로를 말한다. 그네와 비슷하다고 할 수 있다. 왜냐하면 그녀를 한번 밀면 그 그네가 추가적인 외부 힘 없어도 앞뒤로 한 지정된 주파수에 따라 앞뒤 흔들릴 것이다.

공진 회로축전기코일로 구성된다. 그런데 마그네트론의 경우에, 구멍의 입구가 축전기의 역할을 하며 코일 대신에 전하가 흘러가는 구멍의 물질 자체가 작동한다.

진동하는 전류는 외부에서 오는 물리력으로 인해 전하가 고리 모양의 구멍의 벽을 따라 원형을 그리듯 흘러가기 시작하고 전류가 자기장을 생기게 할 때 발생한다. 전하는 구멍의 입구에서 쌓이므로 전류가 약화되기 때문에 자기장도 약해진다. 그런데 자기장의 변화 때문에 자기 유도가 일어나니까 전계가 생성된다. 전계는 전자들을 짧은 시간 동안 더 같은 방향을 향하게 할 수 있는데 결과적으로 구먹의 입구에서 또 전하가 쌓일 것이다.

과정이 거의 완전히 끝날 때가 되면 쌓여 있는 전하가 반대 전하의 방향으로 흘러가기 시작하는데, 즉 전류 자체의 방향은 반대가 되고 과정은 또 다시 시작된다. 따라서, 전류는 주기적으로 바뀌며 시스템에서 에너지가 다 없어질 때까지 지정된 주파수로 계손된다. 마그네트론의 주파수는 구멍의 치수에 달려 있기 때문에 구멍의 크기를 변경해서 조정하기 가능하다. 구멍에서 흘러가는 진동하는 전류는 음극 주변의 전자 흐름에 영향을 미치니까 정상류 대신에 맥동하는 전류가 발생된다. 마이크로파는 바로 이런 과정의 결과로 나타난다.

관련 엑스트라

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전기종

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변압기

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발전기 및 전동기

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