1 mars 2011

Le magnétron - Radars - Micro-ondes


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Le magnétron : Le générateur de micro-ondes !
Le magnétron
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:
Photo d'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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