La física detrás del magnetotrón de cavidad
La Segunda Guerra Mundial fue uno de los eventos más traumáticos en la historia del mundo. Sin embargo, también resultó en numerosas invenciones que han cambiado por completo el mundo. Una de las invenciones clave de esa época fue el magnetotrón de cavidad, el cual hizo que los radares fueran súper eficientes.
Los magnetrones de cavidad también se utilizan en los hornos de microondas, donde son responsables de producir microondas de alta potencia.
El principio de oscilación LC
Los magnetrones de cavidad funcionan según el principio de oscilación LC. La oscilación LC ocurre cuando se coloca un condensador cargado junto a un inductor. Esta disposición simple crea un movimiento de ida y vuelta de los electrones.
Para comprender mejor las oscilaciones, haz clic en el botón «i».
Si se coloca una antena con un inductor cerca del inductor de un circuito LC, la antena irradia ondas electromagnéticas. Esta es la teoría detrás del magnetotrón de cavidad.
Obviamente, la energía de oscilación y la radiación asociada de este dispositivo teórico se agotarán rápidamente, ya que pierde energía en forma de radiación.
Convirtiendo el dispositivo teórico en uno práctico
Para convertir este dispositivo teórico en uno práctico, debemos introducir un cátodo y un filamento. El flujo de corriente a través del filamento calentará el cátodo y, debido a esto, los electrones se emitirán desde él. Este fenómeno se conoce como emisión termoiónica.
Curiosamente, en este caso, los electrones vuelven al cátodo. Colocamos un ánodo con un potencial positivo, lo que hace que los electrones emitidos se aceleren y se muevan hacia el ánodo.
Según la teoría de la radiación, las cargas producen radiación cuando se aceleran. Sin embargo, en esta disposición, los electrones irradian de manera ineficiente, ya que pasan muy poco tiempo en el espacio de interacción.
Para aumentar el tiempo que los electrones pasan en este espacio, se introduce un imán permanente en la estructura. El campo magnético obliga a los electrones a tomar una trayectoria curva. Debido a que la trayectoria de los electrones está ahora curvada, el tiempo que los electrones pasan en el espacio de interacción aumenta.
La estructura final que se forma se conoce como magnetotrón de cavidad.
Los magnetrones de cavidad son más eficientes que la tecnología explicada anteriormente. Sin embargo, su eficiencia puede mejorarse aún más con la ayuda de las oscilaciones LC que vimos al principio de este video. Veamos cómo se logra la oscilación en un magnetotrón.
La física detrás de las cavidades
Para lograr la oscilación, el ánodo está diseñado con cavidades. Estas cavidades causan grandes diferencias en la física de los magnetrones.
Consideremos un caso simple: una barra de metal con una cavidad. Supongamos que pasa una carga negativa cerca del metal. La carga negativa obviamente repelerá a los electrones cercanos a ella, como se muestra en esta animación.
De manera similar, cuando la carga negativa pasa cerca de la cavidad, los electrones alrededor de la superficie de la cavidad se ven perturbados. Puedes ver que ocurre una acumulación de cargas positivas y negativas en las superficies de la cavidad debido a esta perturbación. En resumen, las superficies de la cavidad actúan como placas de condensador.
Si conectas un inductor a través de la superficie de la cavidad, las cargas comenzarán a oscilar. Esta física simple es la base del magnetotrón de cavidad.
Un magnetotrón tiene muchas cavidades. Muchos electrones son expulsados del cátodo debido a la emisión termoiónica. Sigamos el efecto del primer electrón que es expulsado a estas cavidades.
Como se explicó anteriormente, este electrón inducirá cargas positivas y negativas en las superficies de la cavidad. Aquí, las cavidades se disponen de manera circular. Esto significa que el par de superficie de la cavidad cargada no puede estar aislado. Para mantener el campo eléctrico cero en el metal, todos los pares de cavidades deben cargarse con la polaridad opuesta.
Algo interesante a notar aquí es que la superficie curva de la cavidad actúa como un inductor. Esto significa que la carga acumulada oscilará simultáneamente con la ayuda de un bucle metálico y una antena. Esta oscilación se extrae y se convierte en ondas electromagnéticas. Estas oscilaciones se mantendrán en el magnetotrón, ya que los electrones fluyen continuamente del cátodo al ánodo y transfieren su energía.
Ahora veamos qué sucede con los electrones restantes en el espacio de interacción. El primer electrón que alcanza la superficie de la cavidad ya ha creado un patrón de carga en las cavidades. Esto significa que los electrones restantes serán atraídos hacia las regiones de carga positiva y formarán un patrón de rueda de radios interesante como se ilustra.
Dado que las cargas en las cavidades están oscilando, la rueda de radios tiene que girar. Esta fenomenología podría relacionarse con la analogía de un burro, una zanahoria y un palo. No importa cuántos pasos dé el burro para alcanzar la zanahoria, esta siempre estará fuera de su alcance.
Como habrás notado, la antena está conectada solo a una cavidad. Dado que las líneas de campo magnético generadas en una cavidad también se vinculan con las demás cavidades, este fenómeno se llama acoplamiento mutuo. Esto significa que la extracción de energía magnética de una cavidad sería igual a la extracción de todas las cavidades combinadas.
El magnetotrón de cavidad fue desarrollado en el Reino Unido durante la Segunda Guerra Mundial para mejorar la tecnología de radar. Los magnetrones de cavidad son capaces de producir pulsos de alta potencia a una longitud de onda más corta, lo que llevó a la detección de objetos más pequeños. El tamaño compacto del magnetotrón de cavidad hizo que el radar fuera más pequeño.
Esta tecnología del Reino Unido fue transferida a los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial, y al principio, los científicos estadounidenses tuvieron dificultades para entender la física detrás de los magnetrones de cavidad. Esto significa que la tecnología que ahora comprendes es una de las tecnologías de ingeniería más complicadas.
