Cách thức hoạt động và hoạt động của máy phát điện từ

Magnetron - một thiết bị điện tử đặc biệt trong đó việc tạo ra các dao động siêu cao tần (dao động vi sóng) được thực hiện bằng cách điều chỉnh dòng điện tử theo tốc độ. Magnetron đã mở rộng đáng kể lĩnh vực ứng dụng sưởi ấm với dòng điện tần số cao và siêu cao.

Amplitron (platinotron), klystron và đèn sóng di chuyển dựa trên nguyên tắc tương tự ít phổ biến hơn.

Máy phát cao tần là máy phát tần số vi sóng công suất cao tiên tiến nhất. Nó là một loại đèn sơ tán tốt với chùm tia điện tử được điều khiển bởi điện trường và từ trường. Chúng cho phép thu được các sóng rất ngắn (đến một phần nhỏ của centimet) ở công suất đáng kể.

Magnetron sử dụng chuyển động của các electron trong điện trường và từ trường vuông góc lẫn nhau được tạo ra trong khoảng cách hình khuyên giữa cực âm và cực dương. Một điện áp anốt được đặt giữa các điện cực, tạo ra một điện trường hướng tâm, dưới tác động của nó, các electron bị loại bỏ khỏi catốt được nung nóng sẽ lao tới cực dương.

Khối cực dương được đặt giữa các cực của nam châm điện, tạo ra từ trường trong khe hở hình khuyên hướng dọc theo trục của nam châm điện. Dưới tác động của từ trường, electron lệch khỏi hướng xuyên tâm và chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc phức tạp. Trong khoảng trống giữa cực âm và cực dương, một đám mây điện tử quay với các lưỡi được hình thành, gợi nhớ đến trục bánh xe có nan hoa. Bay qua các khe của bộ cộng hưởng khoang anode, các electron kích thích các dao động tần số cao trong chúng.

Cơm. 1. Khối cực dương Magnetron

Mỗi bộ cộng hưởng khoang là một hệ thống dao động với các tham số phân tán. Điện trường tập trung trong các khe và từ trường tập trung bên trong khoang.

Năng lượng đầu ra từ máy phát điện từ được nhận ra bằng một vòng điện cảm được đặt trong một hoặc nhiều hơn hai bộ cộng hưởng liền kề. Cáp đồng trục cấp nguồn cho tải.

Cơm. 2. Thiết bị nam châm

Sự gia nhiệt bằng dòng vi ba được thực hiện trong các ống dẫn sóng có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật hoặc trong các bộ cộng hưởng thể tích trong đó sóng điện từ các dạng đơn giản nhất TE10 (H10) (trong ống dẫn sóng) hoặc TE101 (trong bộ cộng hưởng khoang). Việc sưởi ấm cũng có thể được thực hiện bằng cách phát ra sóng điện từ cho vật thể sưởi ấm.

Magnetron được cung cấp bởi dòng điện chỉnh lưu với mạch chỉnh lưu đơn giản hóa. Các đơn vị năng lượng rất thấp có thể được cấp nguồn AC.

Magnetron có thể hoạt động ở các tần số khác nhau từ 0,5 đến 100 GHz, với công suất từ ​​vài W đến hàng chục kW ở chế độ liên tục và từ 10 W đến 5 MW ở chế độ xung với thời lượng xung chủ yếu từ phân số đến hàng chục micro giây.

Cơm. 2. Magnetron trong lò vi sóng

Sự đơn giản của thiết bị và chi phí tương đối thấp của máy phát điện từ, kết hợp với cường độ làm nóng cao và các ứng dụng đa dạng của dòng vi sóng, mở ra triển vọng lớn cho việc sử dụng chúng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp khác nhau (ví dụ, trong lắp đặt hệ thống sưởi điện môi) và ở nhà (lò vi sóng).

hoạt động của nam châm

Vì vậy, nó là máy phát điện từ đèn điện một thiết kế đặc biệt được sử dụng để tạo ra các dao động tần số cực cao (trong phạm vi sóng decimét và centimet).Đặc điểm của nó là sử dụng từ trường vĩnh cửu (để tạo ra các đường dẫn cần thiết cho chuyển động của các electron bên trong đèn), từ mà máy phát điện từ lấy tên của nó.

Magnetron nhiều buồng, ý tưởng lần đầu tiên được đề xuất bởi M. A. Bonch-Bruevich và được các kỹ sư Liên Xô D. E. Malyarov và N. F. Alekseev hiện thực hóa, là sự kết hợp của một ống điện tử với các bộ cộng hưởng âm lượng. Có một số bộ cộng hưởng khoang này trong một máy phát cao tần, đó là lý do tại sao loại này được gọi là đa buồng hoặc nhiều buồng.

Nguyên lý thiết kế và hoạt động của một máy phát cao tần nhiều buồng như sau. Cực dương của thiết bị là một hình trụ rỗng lớn, ở bề mặt bên trong có tạo ra một số khoang có lỗ (các khoang này là bộ cộng hưởng âm lượng), cực âm nằm dọc theo trục của hình trụ.

Máy phát điện từ được đặt trong từ trường vĩnh cửu hướng dọc theo trục của hình trụ. Các electron thoát ra khỏi cực âm ở phía của từ trường này bị ảnh hưởng bởi lực Lorentz, bẻ cong đường đi của các điện tử.

Từ trường được chọn sao cho hầu hết các electron di chuyển dọc theo các đường cong không chạm vào cực dương. Nếu máy ảnh của thiết bị (bộ cộng hưởng khoang) xuất hiện rung động điện (các dao động nhỏ về âm lượng luôn xảy ra vì nhiều lý do, chẳng hạn như do bật điện áp cực dương), khi đó một điện trường xoay chiều không chỉ tồn tại bên trong các buồng mà còn ở bên ngoài, gần các lỗ (khe).

Các electron bay gần cực dương rơi vào các trường này và tùy thuộc vào hướng của trường, tăng tốc hoặc giảm tốc trong chúng. Khi các electron được gia tốc bởi một trường, chúng sẽ lấy năng lượng từ bộ cộng hưởng, ngược lại, khi chúng bị giảm tốc, chúng sẽ nhường một phần năng lượng của mình cho bộ cộng hưởng.

Nếu số lượng các electron được tăng tốc và giảm tốc là như nhau, thì về trung bình, chúng sẽ không cung cấp năng lượng cho các bộ cộng hưởng. Nhưng các electron, bị làm chậm lại, sau đó có tốc độ thấp hơn so với những gì chúng nhận được khi di chuyển đến cực dương. Do đó, chúng không còn đủ năng lượng để quay trở lại cực âm.

Ngược lại, những electron được gia tốc bởi trường cộng hưởng sau đó sở hữu năng lượng lớn hơn năng lượng cần thiết để quay trở lại cực âm. Do đó, các electron đi vào trường của bộ cộng hưởng đầu tiên, được gia tốc trong nó, sẽ quay trở lại cực âm và những electron bị làm chậm lại trong nó sẽ không quay trở lại cực âm mà sẽ di chuyển dọc theo các đường cong gần cực dương và rơi xuống vào trường của các bộ cộng hưởng sau.

Ở tốc độ di chuyển phù hợp (có liên quan nào đó đến tần số dao động trong bộ cộng hưởng), các electron này sẽ rơi vào trường của bộ cộng hưởng thứ hai với cùng pha dao động trong đó như trong trường của bộ cộng hưởng thứ nhất, do đó , trong trường của bộ cộng hưởng thứ hai , chúng cũng sẽ chậm lại.

Do đó, với sự lựa chọn vận tốc electron phù hợp, tức làđiện áp cực dương (cũng như từ trường, không làm thay đổi tốc độ của electron, nhưng thay đổi hướng của nó), có thể đạt được tình huống mà một electron riêng lẻ sẽ được gia tốc bởi trường chỉ có một bộ cộng hưởng, hoặc giảm tốc bởi trường của một số bộ cộng hưởng.

Do đó, trung bình, các electron sẽ cung cấp nhiều năng lượng hơn cho các bộ cộng hưởng so với năng lượng lấy đi của chúng, nghĩa là các dao động xảy ra trong các bộ cộng hưởng sẽ tăng lên và cuối cùng, các dao động có biên độ không đổi sẽ được thiết lập trong chúng.

Quá trình duy trì dao động trong bộ cộng hưởng, được chúng tôi xem xét một cách đơn giản, đi kèm với một hiện tượng quan trọng khác, vì các electron, để bị trường của bộ cộng hưởng làm chậm lại, phải bay vào trường này ở một pha dao động nhất định của bộ cộng hưởng, rõ ràng là chúng phải di chuyển theo một dòng không đều (t. thì chúng sẽ đi vào trường cộng hưởng bất cứ lúc nào, không phải vào những thời điểm nhất định, mà dưới dạng các bó riêng lẻ.

Đối với điều này, toàn bộ dòng điện tử phải giống như một ngôi sao, trong đó các điện tử di chuyển bên trong thành các chùm riêng biệt và toàn bộ ngôi sao nói chung quay quanh trục của máy phát điện từ với tốc độ sao cho các chùm của nó đi vào từng buồng tại những khoảnh khắc thích hợp. Quá trình hình thành các chùm tia riêng biệt trong chùm tia điện tử được gọi là hội tụ pha và được thực hiện tự động dưới tác dụng của trường biến thiên của các bộ cộng hưởng.

Các máy phát điện từ hiện đại có khả năng tạo ra các rung động với tần số cao nhất trong phạm vi centimet (sóng lên tới 1 cm và thậm chí ngắn hơn) và cung cấp năng lượng lên tới vài trăm watt với bức xạ liên tục và vài trăm kilowatt với bức xạ xung.

Xem thêm:Ví dụ về việc sử dụng nam châm vĩnh cửu trong kỹ thuật điện và năng lượng