Un magnetrón (en inglés: cavity magnetron)? es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía electromagnética en forma de microondas. Fue desarrollado hacia el final de los años 30 con el fin de alimentar al radar mediante una fuente radioeléctrica potente (varios cientos de vatios) y con una longitud de onda centimétrica, por lo tanto unas frecuencias elevadas para la época de 300 MHz a 3 GHz (ondas decimétricas) y más allá de 3 GHz (ondas centimétricas).
Los osciladores de tubos utilizados anteriormente eran incapaces de proporcionar tanta potencia (lo que suponía un alcance insuficiente de los radares), a frecuencias tan elevadas (de donde una discriminación angular débil).
La primera forma de tubo magnetrón, el magnetrón de ánodo dividido, fue inventado por Albert Hull en 1920, pero no era capaz para las altas frecuencias y se utilizó poco. Dispositivos similares se experimentaron con muchos equipos a través de los años 1920 y 1930. El moderno tubo magnetrón de cavidad resonante fue inventado por John Randall y Harry Boot en 1940 en la Universidad de Birmingham, Inglaterra. La alta potencia de los pulsos de su dispositivo hicieron posible el radar de banda centímetrica, radares de longitud de onda más cortas que permitían la detección de objetos más pequeños por medio de antenas más pequeñas. El tubo magnetrón de cavidad compacta redujo sensiblemente el tamaño de los conjuntos de radar de manera que podían ser instalados en los aviones anti-submarinos y en los buques de escolta.
En la posguerra, el magnetrón se usó cada vez menos como radar. Esto se debió al hecho de los cambios de salida del magnetrón de pulso a pulso, tanto en frecuencia como en fase. Esto hace que la señal sea inadecuada para las comparaciones pulso a pulso, que son ampliamente utilizadas para la detección y eliminación del "desorden" en la pantalla de radar. El magnetrón se mantiene en uso en algunos radares, pero se ha convertido en mucho más común como una fuente de bajo costo de microondas para el horno de microondas. En esta forma, aproximadamente mil millones de magnetrones están en uso hoy en día.
Básicamente consiste en un cilindro metálico, en el que hay dispuestas de forma radial una serie de oquedades o cavidades resonadoras, que se comunican con una cavidad central mayor, en cuyo eje existe un filamento metálico de titanio. Esta válvula fue desarrollada originalmente a partir de la válvula Klystron, en la Universidad de Birmingham (Inglaterra) por el profesor M.L. Oliphant, en el otoño de 1939. La idea básica es utilizar la válvula para producir señales de potencias elevadas en la gama de microondas para los sistemas de radar que todavía no estaban suficientemente desarrollados. El cilindro se comporta como ánodo y el filamento central como cátodo. El filamento, conectado al polo negativo de una fuente de corriente continua, se pone incandescente y emite electrones por efecto termoiónico. El cilindro se conecta al polo positivo y atraerá a los electrones. Todo este conjunto se encuentra dispuesto entre los polos de un potente electroimán.
Por acción de este potente campo magnético, los electrones, en lugar de ir en línea recta hacia el cilindro, al ser atraídos hacia las oquedades, realizan una trayectoria circular y, al penetrar en ella, se movilizan en remolino.
El espacio abierto entre la placa y el cátodo se llama el espacio de interacción. En este espacio los campos eléctricos y magnéticos interactúan para ejercer la fuerza sobre los electrones. Dado que toda carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo electromagnético, todos los electrones en movimiento circular en las oquedades producen ondas electromagnéticas –en este caso microondas– perpendiculares al desplazamiento de los mismos y de una frecuencia dependiente del tamaño de las oquedades. Sin embargo, la frecuencia no es precisamente controlable, varía con los cambios en la impedancia de carga, con cambios en la intersidad, y con la temperatura del tubo.Mediante un cable coaxial, se transmite la energía a un director o radiador, constituido por una antena.
¿Que ocurre dentro de la placa?
La forma de las cavidades u oquedades varía, se muestra en la Figura 3. El cable de salida suele ser una sonda o loop se extiende en una de las cavidades a punto y junto a una guía de onda o en la línea coaxial.
El proceso que se produce se puede dividir en cuatro fases:
Cuando no existe campo magnético, se produce un movimiento uniforme y directo de los electrones desde el cátodo a la placa. Si la intensidad del campo magnético aumenta, la curva que dibujan los electrones es más pronunciada. Cuando se alcanza el valor del campo crítico, los electrones son desviados lejos de la placa y la intensidad en la placa cae. Cuando la intensidad de campo se hace aún mayor, las caídas de corriente de placa llegan a cero o casi cero.
El campo eléctrico en el oscilador magnetrón es el producto de los campos de CA y CC. El campo de CC se extiende radialmente a partir de segmentos adyacentes del ánodo al cátodo. Los campos de corriente alterna, que se extienden entre los segmentos adyacentes, se muestran en un instante de la magnitud máxima de una alternancia de las oscilaciones de radio frecuencia que se producen en las cavidades. Los electrones que se mueven hacia los segmentos de ánodo cargado positivamente se aceleran. Obtienen una mayor velocidad tangencial. Por otro lado los electrones que se mueven hacia los segmentos con carga negativa reducen su velocidad. Como consecuencia de una velocidad tangencial menor.
La acción acumulativa de muchos electrones regresando al cátodo, mientras que otros se mueven hacia el ánodo forma un patrón parecido a los radios de una rueda en movimiento conocido como "el espacio de carga de la rueda". La rueda de carga espacial gira alrededor del cátodo a una velocidad angular de 2 polos (segmentos de ánodo) por ciclo del campo de corriente alterna. Esta relación de fase permite la concentración de electrones para liberar de forma permanente energía para mantener las oscilaciones de radiofrecuencia.
Recordemos que un electrón en movimiento contra un campo E es acelerado por el campo y toma la energía del campo. Además, si prescindimos de la energía de un electrón en un campo y se ralentiza el movimiento en la misma dirección que el campo (de positivo a negativo). El electrón pasa la energía de cada cavidad a medida que pasa el tiempo y llega al ánodo cuando su energía se gasta. Por lo tanto, el electrón ha ayudado a mantener las oscilaciones, ya que ha tomado la energía del campo de CC y la ha dado al campo de corriente alterna...
Normalmente, para que los imanes permanentes no dejen de funcionar por alcanzar la temperatura de Curie, los magnetrones industriales se enfrían con agua, o en su defecto, con un sistema de dispersión que consiste en placas metálicas, que a la vez filtran las ondas electromagnéticas producidas, gracias al principio de resonancia.
El Magnetrón puede producir salidas de potencia continua de más de 1 kW de potencia a una frecuencia de 1 GHz. La salida baja a medida que la frecuencia aumenta. Por ejemplo, a los 10 GHz, un magnetrón puede producir de 10 a 20 vatios de la radio frecuencia de salida continua.
Hoy en día los usos principales son:
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