Le magnétron - Forum Jeux online

I. Le magnétron (1/5)
a) Structure
- Cylindre creux constitué d’une anode et d’une
cathode. Dans l’anode sont présentes des cavités
résonnantes.
- Fermé par deux électro-aimants (ou aimants
permanents), qui induisent un champ magnétique
parallèle à l’axe du cylindre
- Espace d’interaction entre l’anode et la cathode :
vide très poussé.
- Refroidissement par ailettes, ou par circulation d’eau.
I. Le magnétron (2/5)
b) Fonctionnement
- Principe : arracher des électrons à la cathode pour
les faire tourner autour de l’axe sans qu’ils
atteignent l’anode. Ces électrons induisent des
mouvements d’électrons dans l’anode autour des
cavités. Les électrons anodiques rayonnent alors des
OEM.
1) Transformer la tension alternative du secteur en
tension continue de 3 à 4 kV. Utilisation d’un
transformateur (augmentation de la tension), puis
d’un filtre RC (tension continue).
2) Application de cette haute tension à l’anode. Ceci
induit une différence de potentiel entre l’anode (3,5
kV) et la cathode (0 V), donc création d’un champ
électrique radial entre la cathode et l’anode.
3) L’influence du champ magnétique (force de
Lorentz : F = eE + ev x B) fait tourner les électrons
autour de la cathode.
I. Le magnétron (3/5)
Exemple : modèle simplifié
Déduction d’une condition de coupure (on néglige les
répulsions entre électrons).
On trouve :
- V0 : tension de coupure ; Bc : induction magnétique
de coupure.
- a : rayon de la cathode ; b : rayon de l’anode.
I. Le magnétron (4/5)
Modélisation par des circuits LC en série
- En pointillés : le champ électrique au abords de la
cavité.
- En traits pleins : la trajectoire d’un électron.
I. Le magnétron (5/5)
a) Production des ondes électromagnétiques
- l’ensemble des électrons en rotation forme une roue à
l’intérieur du magnétron.
- la rotation des électrons fait tourner cette roue entre
l’anode et la cathode. Quand un « pic » de la roue
s’approche d’un bord de l'anode, il induit une charge +
par répulsion électronique.
- les électrons de l’anode circulent alors entre la charge
+ et -, et grâce à la forme de la cavité, produisent les
OEM lors du parcours (accélération)
II. Interaction avec la matière (1/5)
a) Étude de la molécule d’eau
- Eau : molécule polaire diélectrique, bien
qu’électriquement neutre.
- Moment dipolaire : 6.31.10-30 C.m
- Analogie avec un dipôle électrostatique : le moment
dipolaire de la molécule s’aligne avec la directi on du
champ électrostatique.
- Dans un champ non-uniforme, on trouve :
- La molécule d’eau effectue ainsi 2 450 000 000
rotations par seconde, ce qui entraîne l’échauffement
de la matière.
- Dans un aliment, seuls l’eau, le sucre et les graisses
chauffent ainsi. Sans eux, pas de cuisson.
- La chaleur est ensuite échangée avec le reste de
l’aliment par diffusion ou convection.
II. Interaction avec la matière (2/5)
a) Étude de la molécule d’eau
Phénomène de relaxation diélectrique : existence d’un
délai de réponse pour un système soumis à une
excitation extérieure.
- Il y a relaxation électrique quand on supprime
brusquement un champ qui polarisait un matériau.
- Temps de relaxation
diélectrique :
- A haute fréquence : phénomène de déphasage le
moment dipolaire de la molécule et le champ
électrique
On prouve que :
ε : permitivité relative complexe du milieu
ε’ : traduit la capacité du matériau à être polarisé
ε’’ : terme d’absorption, traduit les pertes
II. Interaction avec la matière (3/5)
b) Choix de la fréquence : 2.45 GHz
- N’interfère pas avec les micro-ondes de
communication.
- À 2.45 GHz : bonne capacité de polarisation de l’eau,
ainsi que des pertes conséquentes pour pouvoir
chauffer l’aliment.
- Longueur d’onde : 12,24cm, de longueur correcte
pour des aliments courants (bonne pénétration dans
les aliments).
II. Interaction avec la matière (4/5)
c) Intéraction avec les métaux
- Onde éléctromagnétique qui rencontre un métal :
induit un courant dans le métal, décrit par la loi
d’Ohm :
- Équation de type diffusif à l’intérieur du conducteur :
- Phénomène d’effet de peau : courant localisé en
surface du conducteur (l’onde étant partiellement
réfléchie).
Épaisseur de peau :
II. Interaction avec la matière (5/5)
d) Dangers potentiels
1)
Phénomènes de surchauffe
Dans un récipient trop lisse, un liquide chauffé par
micro-ondes peut se trouver dans un état métastable. Il
reste liquide bien au-delà de sa température
d’ébullition.
Toute perturbation du liquide dans cet état (par une
cuillère par exemple) peut entraîner un jaillissement
violent et dangereux.
2)
Les métaux
- Dorures ou fines couches métalliques sur de la
vaisselle : effet de peau sur une très fine couche de
métal, entraîne un jaillissement d’électrons qui ionise
l’air.
- Objets pointus (fourchette) : accumulation des
charges sur les pointes, d’où la formation d’étincelles
(cf III).
III. Aspect expérimental (1/5)
a) De nombreuses expériences possibles
- Surchauffe d’un liquide : états métastables.
- Glaçon qui ne chauffe pas.
- Auto-allumage d’une ampoule soumise à un champ
électromagnétique.
- CD : courants de Foucault.
- Cuisson du pop-corn (anhydre).
III. Aspect expérimental (2/6)
b) Mise en évidence d’inhomogénéités dans la cavité
Expérience 1 : papier filtre imbibé de chlorure de cobalt
(CoCl2), placé dans la cavité du four à micro-ondes.
CoCl2 change de couleur en fonction de son humidité :
CoCl2 humide : rose (hexahydraté).
CoCl2 sec : bleu (dihydraté).
Experience 2 : papier fax thermique humidifié qui
noircit quand il devient sec
Précaution : positionnement d’un verre d’eau pour
éviter l’endommagement du magnétron.
III. Aspect expérimental (3/6)
b) Mise en évidence d’inhomogénéités dans la cavité
III. Aspect expérimental (4/6)
c) Le résonateur à micro-ondes
Dispositif en aluminium, qui crée des nœuds et des
ventres de tension à l’aide d’une onde stationnaire :
III. Aspect expérimental (5/6)
c) Le résonateur à micro-ondes : pouvoir des pointes
Les électrons sont arrachés de l’antenne et ionisent
l’air.
Ce phénomène s’effectue grâce à ce qu’on appelle le
« pouvoir
des
pointes »
en
électromagnétisme.
(Paratonnerre).
Plus le rayon de courbure est
concentration en charge est élevée.
faible,
plus
la
III. Aspect expérimental (6/6)
c) Mise en évidence d’inhomogénéités
- on fait passer une OEM à l’intérieur des câbles, on
mesure la tension en bout de câble grâce aux
oscilloscopes.
- mise en évidence d’inhomogénéités de tension et de
courant à l’intérieur du câble coaxial : la tension n’est
pas homogène et décrit des ventres et des nœuds de
tension.