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I
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Composition
Le
magnétron est un tube à symétrie
circulaire. Il est constitué d'une anode
cylindrique creuse, dans l'axe de laquelle se trouve
une cathode à chauffage direct ou indirect. Pour
le chauffage indirect, un filament hélicoïdal,
généralement en tungstène au thorium, s'enroule autour
de la cathode.
L'anode est de plus composée
de cavités résonnantes qui peuvent avoir des
formes différentes selon le magnétron.
L'anode et la cathode
sont séparées par un vide d'air que l'on appelle aussi
espace d'interaction.
Enfin on trouve aussi des
aimants ou bien électro-aimants fixés
transversalement par rapport à l'axe du tube en haut et
en bas du bloc anodique ainsi qu'un système de
refroidissement du bloc anodique (par ailettes) ou bien
par circulation à eau pour les magnétrons de forte
puissance.
Photo
représentant un magnétron:
Voici
une coupe transversale du magnétron, les cavités sont en
fait les cavités résonnantes :
II. Principe de
fonctionnement
Un champ électrique
continu est appliqué entre l'anode et la
cathode. Ce champ a une tension de l'ordre de plusieurs
kilovolts (environ 2300V), ce qui est énorme pour un
espace d'interaction (espace entre l'anode et la
cathode) de quelques millimètres.
Les électrons
libérés par la cathode sont alors accélérés par le champ
électrique continu. Cependant en l'absence des aimants,
les électrons iraient directement sur l'anode selon des
trajectoires radiales (Voir schéma A) ce qui empêcherait la création des
micro-ondes.
Schéma
A :
Les
flèches représentent les trajectoires des électrons (ici
radiales) en l'absence de champ magnétique créé par les
aimants.
En fait, les aimants vont créer
un champ magnétique perpendiculaire à l'axe
anode/cathode, qui va donner aux électrons un mouvement
circulaire autour de la cathode (Voir schéma B).
On dit alors que les trajectoires des électrons sont
hélicoïdales ou bien qu'elles ont l'allure de
cycloïdes.
Schéma
B :
Les petites flèches (en gras) représentent
les trajectoires hélicoïdales des électrons en présence
d'un champ magnétique.
Les longues flèches représentent le sens du
courant électrique.
Ces charges évoluant entre
l'anode et la cathode vont entrer en interaction avec
les cavités résonnantes du bloc anodique qui deviennent
le support d'oscillations électromagnétiques.
En fait le rayonnement
électromagnétique (les micro-ondes pour le four) est dû
à la vibration des électrons dans les cavités
résonnantes.
James
Clerk Maxwell, en 1865, fit une étude sur les phénomènes
électriques et magnétiques d'où « les équations de
Maxwell », il arrive grâce à celles-ci à montrer
qu'un champ électrique variable produit un champ
magnétique variable et inversement.
On
peut noter aussi que les dimensions des cavités
résonantes sont calculées de telle sorte à leur donner
une fréquence de résonance égale à la fréquence allouée,
celle-ci avec une certaine marge de tolérance (2450
MHz
± 25
MHz pour les fours à
micro-ondes).
Enfin, on définit une valeur critique
notée
 de l'induction
magnétique reliée à la tension appliquée entre l'anode
et la cathode, notée
 (en Volts).
Au delà
de cette valeur critique, les électrons ne peuvent plus
atteindre l'anode et forment alors un nuage électrique
tournant dans l'espace d'interaction d'autant plus
proche de la cathode que est élevée.
Voici
la formule servant à calculer cette valeur
critique :
a et b sont les rayons
respectifs de la cathode et de l'anode, e et
m la charge de l'électron au repos
(e =
1,60.10-19
C
m = 9,11.10-31
kg)
Avec
les données, cela donne donc :
Comme nous l'avons dit
précédemment c'est ce nuage électronique évoluant dans
l'espace inter-électrodes qui entrera en interaction
avec les cavités résonnantes du bloc anodique, et qui
deviendra le support d'oscillations électromagnétiques.
Cependant l'interaction entre les électrons et les
cavités est assez complexe, c'est pourquoi nous
n'élargirons pas le sujet sur ce
point.
Mais les micro-ondes une
fois créées, comment sont-elles acheminées jusqu'à la
cavité du
four ?
III. Du Magnétron à la cavité du
four
En fait, les micro-ondes une
fois générées, sont extraites du magnétron au moyen
d'une boucle de couplage et envoyées
sur une sortie coaxiale qui les
transmettra alors dans la cavité du four comme le
montrent les illustrations suivantes
:
Ces
2 schémas nous présentent des coupes
d'un magnétron et de son système de couplage permettant
l'extraction des micro-ondes du magnétron.
On
peut d'ailleurs voir au niveau de la sortie une petite
antenne.
Cette antenne va servir à
acheminer les micro-ondes jusqu'à un guide
d'ondes dont voici une photo :
Ensuite ce guide
d'ondes va diriger les micro-ondes jusqu'à ce qu'on
appelle un brasseur d'ondes qui servira
à répartir les micro-ondes dans la cavité du four. Ce
brasseur d'ondes s'agit tout simplement d'une pale
métallique tournant en haut du four juste à la sortie du
guide d'ondes.
Voici une photo d'un
brasseur d'ondes :
Couplé à un plateau tournant
sur lequel on dépose l'aliment, le rayonnement de
micro-ondes est ainsi diffusé de manière optimale dans
la cavité du four puis dans
l'aliment.
Voici maintenant un schéma
récapitulant le trajet des micro-ondes du magnétron à la
cavité du four
:
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