Ein Magnetron ist ein Gerät, das die Wechselwirkung eines von einem Magnetfeld geführten Elektronenstroms mit Hohlräumen in einem Kupferblock nutzt, um Mikrowellenstrahlung zu erzeugen. Der Frequenzbereich der Strahlung hängt von der Größe der Kavitäten ab. Die Geräte werden in Radar- und Mikrowellenherden verwendet, wo die Strahlung die Moleküle in Lebensmitteln – insbesondere Wassermoleküle – in Schwingung versetzt, was zu einem schnellen Temperaturanstieg führt, der zum Garen der Lebensmittel ausreicht.
So funktioniert er
Ein Magnetron besteht aus einem kurzen Kupferzylinder mit einer Reihe von Hohlräumen, die in eine zentrale Vakuumkammer mit einer Metallkathode münden. Ein Permanentmagnet erzeugt ein Magnetfeld, das parallel zur Zylinderachse verläuft. Die Kathode wird durch einen Hochspannungs-Gleichstrom erhitzt, wodurch Elektronen erzeugt werden, die im rechten Winkel zum Magnetfeld zur Zylinderwand hin ausströmen. Die Elektronen werden durch das Feld in gekrümmte Bahnen abgelenkt, wodurch sie innerhalb der Hohlräume kreisförmige Ströme aufbauen. Diese Ströme erzeugen Mikrowellenstrahlung mit Frequenzen, die von der Größe der Hohlräume abhängig sind.
Die Mikrowellen müssen dann dorthin geleitet werden, wo sie gebraucht werden. Dies wird durch eine als Wellenleiter bezeichnete Metallstruktur erreicht, entlang der sich die Wellen ausbreiten. Es erstreckt sich normalerweise aus einem der Hohlräume außerhalb des Hauptkörpers, fängt die Mikrowellen ein und führt sie entlang seiner Länge. Im Fall eines Magnetrons, das für Radar verwendet wird, wird der Wellenleiter mit einer Antenne verbunden, die die Wellen überträgt. In einem Mikrowellenherd leitet es die Wellen in die Ofenkammer, damit sie zum Kochen verwendet werden können.
Verwendung
Magnetrons werden verwendet, um Mikrowellen für Radar zu erzeugen, da sie die erforderliche Leistung erreichen können. Ein Nachteil eines einfachen Magnetrons besteht darin, dass, obwohl der Bereich der erzeugten Frequenzen durch die Größe der Hohlräume bestimmt wird, es innerhalb dieses Bereichs aufgrund von Stromschwankungen und Temperaturänderungen Schwankungen gibt. Dies ist zwar kein Problem, wenn die erzeugte Energie zum Heizen verwendet wird, beeinträchtigt jedoch die Genauigkeit von Radarbildern. Dies kann durch einstellbare leitende Materialien überwunden werden, die in die Hohlräume eingesetzt werden können, um die Strahlung nach Bedarf abzustimmen.
Die bekannteste Verwendung von Magnetrons ist in Mikrowellenöfen. Diese lenken die Wellen in einen kleinen Garraum, in dem Speisen sehr schnell gegart werden können. Einige Moleküle in Lebensmitteln sind polar, das heißt, sie sind auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite negativ geladen. Diese Moleküle richten sich, wenn sie mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich beschossen werden, auf die von den Wellen erzeugten elektrischen und magnetischen Wechselfelder aus, wodurch sie schnell vibrieren, was zu einer schnellen Erwärmung führt. Ein solches Molekül ist Wasser, das in den meisten Lebensmitteln in erheblichen Mengen vorhanden ist.
Geschichte
In den 1920er Jahren erforschte Albert Hull, Angestellter eines bekannten Elektrounternehmens, Vakuumröhren, als er das Magnetron entwickelte. Hull konnte sich jedoch nur wenige Verwendungszwecke für seine Erfindung vorstellen, und sie blieb für einige Zeit weitgehend ungenutzt. In den späten 1930er und frühen 1940er Jahren beschlossen zwei Ingenieure namens Harry Boot und John Randall, das Gerät weiter zu erforschen. Frühere Versionen bestanden aus einer Kathode und Anoden in einem Glasrohr, aber Boot und Randall verwendeten stattdessen Kupfer, einen guten elektrischen Leiter, um ein Gehäuse mit Hohlräumen zu bauen, die auch als Anode dienten. Dies führte zu einem viel leistungsstärkeren Gerät, das eine Leistung von 400 Watt auf einem Raum von weniger als 10 cm erzeugte.
Als Boot und Randall stärkere Magnetronröhren entwickelten, entdeckten sie, dass diese ideal für Radar geeignet sind. Während des Zweiten Weltkriegs begannen U-Boote der Vereinigten Staaten, sie zu verwenden, wodurch die Radarausrüstung feindliche Schiffe schneller erkennen konnte. In den späten 1940er Jahren testete Dr. Percy Spenser, ein amerikanischer Ingenieur und Erfinder, die Leistung von Magnetronröhren in seinem Labor weiter. Er bemerkte, dass der Schokoriegel in seiner Tasche während der Arbeit mit den Tuben komplett geschmolzen war. Er beschloss, ein paar Popcornkörner in die Nähe der Maschine zu legen, um zu sehen, was passieren würde, und bemerkte, dass die Körner dabei platzen.
Dr. Spenser rief nach seinem Assistenten und die beiden Männer beschlossen, ein ganzes Ei in die Nähe des Geräts zu legen. Als das Ei explodierte, erkannte Dr. Spenser, dass er eine faszinierende Form des Kochens entdeckt hatte. Spenser half 1947 bei der Entwicklung des ersten Mikrowellenherdes der Welt. Das ursprüngliche Modell wog über 700 Pfund (318 kg), war mehr als 1.5 Meter groß und kostete mehr als 5,000 US-Dollar (USD).