Magnetrón para niños
Un magnetrón es un aparato que convierte la energía eléctrica en energía electromagnética, ¡como las microondas que calientan tu comida! Fue inventado a finales de los años 30 para usarlo en los radares. Necesitaban una fuente de energía potente (cientos de vatios) que produjera ondas muy cortas, llamadas ondas centimétricas, que son frecuencias muy altas para esa época (desde 300 MHz hasta más de 3 GHz).
Antes del magnetrón, los aparatos que generaban ondas no eran lo suficientemente potentes. Esto significaba que los radares no podían detectar objetos a mucha distancia o con suficiente precisión.
El uso de campos magnéticos para controlar la electricidad comenzó con la invención del Audion en 1906. Albert Hull intentó crear magnetrones, pero no tuvieron mucho éxito al principio. Otros científicos, como Habann en Alemania en 1924, mejoraron la idea usando dos cátodos. La investigación avanzó cuando un artículo japonés de Okabe en 1929 mostró que se podían producir señales de ondas centimétricas, lo que despertó el interés mundial.
En 1934, A. L. Samuel propuso usar varios cátodos, lo que llevó a los diseños de Postumus (1934) y Hans Hollmann (1935). Empresas como Philips y Telefunken fabricaron estos dispositivos, pero solo producían unos 10 vatios. En ese momento, otros aparatos como el klystron generaban más energía, por lo que el magnetrón no era muy usado. Sin embargo, en la URSS, Aleksereff y Malearoff construyeron uno de 300 vatios en 1936.
El magnetrón de "cavidad" fue una gran mejora. Lo inventaron John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham, Inglaterra, en 1940. Su primer modelo funcionó y produjo cientos de vatios con una longitud de onda de 10 cm, ¡algo nunca visto! En pocas semanas, los ingenieros lo mejoraron a más de un kilovatio, y en meses a 25 kilovatios. Para 1941, ya superaba los 100 kW, y en 1943, se acercaba a un megavatio.
Estos pulsos de alta potencia se generaban con un aparato del tamaño de un libro pequeño. Se transmitían desde una antena de solo unos centímetros. Esto hizo que los sistemas de radar fueran mucho más pequeños y prácticos. Gracias a esto, surgieron nuevos radares para cazas nocturnos, aviones antisubmarinos y barcos pequeños. Los Aliados de la Segunda Guerra Mundial tuvieron una gran ventaja en el radar que Alemania y Japón nunca pudieron igualar. Al final de la guerra, casi todos los radares aliados usaban un magnetrón.
Después de la guerra, el magnetrón siguió usándose en radares. Sin embargo, en los años 60, otros dispositivos como los klystron y los tubos de ondas progresivas de alta potencia se hicieron más populares. Una característica del magnetrón es que su señal de salida cambia un poco en cada pulso, tanto en frecuencia como en fase. Esto lo hace menos adecuado para algunas funciones avanzadas de radar. Aun así, el magnetrón sigue usándose en algunos radares. Pero su uso más común hoy en día es como una fuente económica para los hornos de microondas. ¡Hoy en día se usan más de mil millones de magnetrones!
Contenido
Historia del Magnetrón
La primera versión del magnetrón, llamado magnetrón de ánodo dividido, fue inventada por Albert Hull en 1920. Sin embargo, no era bueno para las altas frecuencias y se usó poco. Muchos equipos experimentaron con dispositivos similares en los años 20 y 30.
El magnetrón de cavidad resonante moderno fue inventado por John Randall y Harry Boot en 1940 en la Universidad de Birmingham, Inglaterra. La gran potencia de los pulsos de su dispositivo hizo posible el radar de banda centimétrica. Estos radares, con ondas más cortas, podían detectar objetos más pequeños usando antenas más pequeñas. El magnetrón de cavidad compacto redujo mucho el tamaño de los equipos de radar. Así, podían instalarse en aviones antisubmarinos y en barcos de escolta.
Después de la guerra, el magnetrón se usó menos en radares. Esto se debe a que la señal de salida del magnetrón cambia de un pulso a otro. Esto hace que la señal no sea ideal para ciertas comparaciones de pulsos. Estas comparaciones se usan mucho para detectar y eliminar "ruido" en la pantalla del radar. El magnetrón sigue en uso en algunos radares. Pero se ha vuelto mucho más común como una fuente económica de microondas para el horno de microondas. De esta forma, se usan aproximadamente mil millones de magnetrones hoy en día.
¿Cómo Funciona un Magnetrón?
Un magnetrón es básicamente un cilindro de metal. Dentro de él, hay una serie de huecos o cavidades en forma de círculo. Estas cavidades se conectan a una cavidad central más grande. En el centro de esta cavidad hay un filamento de metal, a menudo de titanio.
Este aparato fue desarrollado a partir de la válvula Klystron. La idea principal era usarlo para producir señales muy potentes en el rango de las microondas. Esto era necesario para los sistemas de radar que aún no estaban muy avanzados.
El cilindro actúa como el ánodo (la parte positiva) y el filamento central como el cátodo (la parte negativa). El filamento, conectado a la parte negativa de una fuente de electricidad, se calienta mucho. Al calentarse, emite electrones (pequeñas partículas con carga negativa). El cilindro, al ser positivo, atrae a estos electrones. Todo este conjunto está colocado entre los polos de un potente electroimán.
Gracias a este fuerte campo magnético, los electrones no van en línea recta hacia el cilindro. En cambio, al ser atraídos hacia los huecos, hacen un camino circular. Al entrar en las cavidades, se mueven en forma de remolino.
El espacio entre la placa (ánodo) y el cátodo se llama espacio de interacción. Aquí, los campos eléctricos y magnéticos trabajan juntos para mover los electrones.
Cuando una carga eléctrica se mueve, crea un campo electromagnético a su alrededor. Así, todos los electrones que se mueven en círculo dentro de las cavidades producen ondas electromagnéticas, en este caso microondas. Estas ondas son perpendiculares al movimiento de los electrones. Su frecuencia depende del tamaño de las cavidades. Sin embargo, la frecuencia no es fácil de controlar con precisión. Puede cambiar con la carga, la intensidad y la temperatura del aparato. La energía se transmite a una antena a través de un cable especial.
¿Qué Sucede Dentro de las Cavidades?
La forma de las cavidades puede variar. El cable de salida suele ser una sonda que se extiende en una de las cavidades. Luego se conecta a una guía de onda o a una línea coaxial.
Algunos diseños de cavidades son:
- De tipo ranura
- De tipo paletas
- De tipo sol naciente
- De tipo agujero y ranura
El proceso dentro del magnetrón se puede dividir en cuatro pasos:
Paso 1: Producción y Aceleración de Electrones
Si no hay campo magnético, los electrones se mueven directamente del cátodo a la placa. Si el campo magnético aumenta, la curva que dibujan los electrones es más pronunciada. Cuando el campo magnético es muy fuerte, los electrones se desvían de la placa y la corriente disminuye. Si el campo es aún más fuerte, la corriente puede llegar a cero.
Paso 2: Modulación de la Velocidad de los Electrones
El campo eléctrico en el magnetrón es una combinación de campos de Corriente alterna y Corriente continua. El campo de Corriente continua se extiende desde los segmentos del ánodo hacia el cátodo. Los campos de corriente alterna, que están entre los segmentos, cambian rápidamente. Los electrones que se mueven hacia los segmentos positivos del ánodo se aceleran. Ganan más velocidad en su movimiento circular. Por otro lado, los electrones que se mueven hacia los segmentos negativos reducen su velocidad.
Paso 3: Formación de una "Rueda de Carga"
Muchos electrones regresan al cátodo, mientras que otros se mueven hacia el ánodo. Esta acción crea un patrón que parece los radios de una rueda en movimiento. A esto se le llama "rueda de carga espacial". Esta rueda gira alrededor del cátodo a una velocidad constante. Esta relación permite que los electrones liberen energía de forma continua para mantener las ondas de radiofrecuencia.
Paso 4: Entrega de Energía al Campo de Corriente Alterna
Un electrón que se mueve en contra de un Campo eléctrico es acelerado por el campo y toma energía de él. Si un electrón pierde energía en un campo, su movimiento se ralentiza. El electrón pasa energía a cada cavidad a medida que se mueve. Finalmente, llega al ánodo cuando su energía se ha gastado. De esta manera, el electrón ayuda a mantener las ondas. Toma energía del campo de Corriente continua y la entrega al campo de Corriente alterna.
Para que los imanes permanentes no dejen de funcionar por el calor, los magnetrones industriales se enfrían con agua. O usan un sistema de placas metálicas que dispersan el calor. Estas placas también filtran las ondas electromagnéticas producidas, gracias al principio de resonancia eléctrica.
Un magnetrón puede producir más de 1 kilovatio de potencia continua a una frecuencia de 1 GHz. La potencia disminuye a medida que la frecuencia aumenta. Por ejemplo, a 10 GHz, un magnetrón puede producir de 10 a 20 vatios de potencia continua.
Usos del Magnetrón
Hoy en día, los usos principales del magnetrón son:
- El radar: Aunque ahora tiene competencia de otros dispositivos como el Klistrón, el carcinotrón, el tubo de ondas progresivas y los semiconductores.
- El horno microondas: Se cuenta que su aplicación se descubrió por casualidad. Un ingeniero de la empresa Raytheon Inc., que fabricaba magnetrones en la Segunda Guerra Mundial, notó que una barra de chocolate en su bolsillo se había derretido mientras trabajaba cerca de un radar. Esto le hizo pensar en el uso doméstico de este invento, lo que llevó a la creación del primer horno microondas. Las ondas emitidas por el magnetrón son guiadas hacia los alimentos. Allí, excitan las moléculas de agua, haciendo que se muevan muy rápido y aumenten su temperatura. Por eso, los alimentos con más agua se calientan más rápido.
- En medicina física: Las microondas se usan para calentar tejidos profundos (diatermia). El calor se produce porque las moléculas orgánicas y de agua vibran con mucha energía al ser expuestas a microondas de cierta frecuencia. La fricción entre estas moléculas vibrantes genera calor rápidamente. La capacidad de las microondas para penetrar y ser absorbidas por los tejidos biológicos depende de tres cosas:
* Longitud de onda: Cuanto más corta es la longitud de onda (mayor frecuencia), menos penetra. * Conductividad del tejido: La energía de las microondas tiende a penetrar tejidos con baja conductividad y a ser absorbida en tejidos con alta conductividad eléctrica. Cuanto más agua tiene un tejido, más absorbe. * Grosor de la grasa debajo de la piel: Cuanto más gruesa es la capa de grasa, menos penetran las microondas.
Precauciones de Seguridad
Es importante conocer algunas precauciones. El cristalino del ojo humano no tiene un flujo de sangre que lo enfríe. Por eso, es sensible al sobrecalentamiento si se expone a la radiación de microondas. Este calentamiento podría llevar a problemas de visión en la vejez.
También hay un riesgo eléctrico importante alrededor de los magnetrones, ya que necesitan una fuente de energía de alto voltaje.
Todos los magnetrones contienen una pequeña cantidad de torio mezclado con tungsteno en su filamento. Aunque este es un metal que emite radiación, el riesgo para la salud es bajo. Esto se debe a que no se dispersa en el aire con el uso normal. Solo si el filamento se saca del magnetrón, se tritura muy finamente y se inhala, podría representar un riesgo para la salud.
Véase también
En inglés: Cavity magnetron Facts for Kids
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