Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física
Este artículo forma parte del capítulo 2 y del Apéndice A de mi libro “El Radar en la historia del siglo XX. Un arma decisiva de la Segunda Guerra Mundial”
Recreación por ordenador del magnetrón de A. Hull
Describo en este artículo el magnetrón, el principal instrumento para generar microondas durante las primeras décadas del siglo XX. No describiré el klystron, otro de los dispositivos empleados con este fin. El lector interesado en tener unas nociones básicas de su funcionamiento puede consultar este artículo
La idea original: el magnetrón de Albert Hull
Para entender el funcionamiento del magnetrón ideado por Hull, conviene recordar brevemente el principio de funcionamiento de las válvulas de vacío.
En una válvula de vacío, un filamento metálico (el cátodo) y un terminal también metálico (el ánodo) están separados por un espacio dónde se ha hecho el vacío. Una batería calienta el filamento hasta que se pone incandescente, provocando la emisión de electrones mediante un proceso denominado emisión termoiónica. Al aplicar el terminal positivo de una batería al ánodo y el terminal negativo al filamento o cátodo, los electrones emitidos por éste fluyen a través del tubo de vacío desde el filamento hacia el ánodo, originando una corriente eléctrica. Al invertir la polaridad, no fluye corriente, ya que los electrones son atraídos hacia el propio filamento de nuevo, por lo que no alcanzan el ánodo. De esta manera, la válvula de vacío simple actúa como un rectificador y solo permite que la corriente fluya en una dirección. Insertando un tercer electrodo entre el filamento y el ánodo, se puede modular el paso de la corriente entre estos. Esta fue la idea de Lee De Forest y el dispositivo que construyó se denomina triodo, dispositivo que puede actuar como un interruptor que permite aumentar, reducir o suprimir por completo el flujo de corriente entre el cátodo y el ánodo mediante tensiones aplicadas a la rejilla. Esto también le permite funcionar como amplificador y lo hace muy similar a ciertos transistores de estado sólido.
La idea de Hull era utilizar las propiedades de los campos magnéticos para replicar el triodo de De Forest sin usar la rejilla. El magnetrón de Hull es un tubo de vacío que usaba un campo magnético para controlar el flujo de corriente entre cátodo y ánodo y, como efecto añadido, generar o.e.m. de frecuencias de microondas. Hoy en día estos dispositivos están en desuso, pero son un ejemplo de válvula de vacío bastante bueno y fácil de entender y una muy buena introducción al magnetrón de cavidad que veremos en el siguiente punto de este apartado. El dispositivo ideado por Hull se muestra en la siguiente figura:
El magnetrón de Hull. Izquierda: esquema del dispositivo sin el arrollamiento para crear el campo magnético. Derecha: el dispositivo de Hull. El cable arrollado en la parte exterior del tubo de vidrio produce el campo magnético. El campo eléctrico se obtiene aplicando una pila entre el cátodo (en el centro del tubo, no visible) y el ánodo, que es el tubo cilíndrico situado dentro del tubo de vidrio
En esencia, el dispositivo es un tubo de vacío con dos cilindros. En la parte a) de la figura A.12 se observa un filamento (el cátodo, en el centro del tubo), que se conecta al extremo negativo de una batería. El cilindro hueco más grande que rodea el cilindro interior es el ánodo y está conectado al extremo positivo de la batería. El conjunto se coloca en vacío y si el filamento se calienta, actuará como un diodo de vacío. De momento, ninguna novedad.
Pero ahora, si este dispositivo se coloca en un campo magnético, las cosas cambian. Aplicamos el campo magnético de manera que sea paralelo al tubo: las líneas del campo se alinean con el eje de ambos cilindros. Esto se puede hacer enrollando una bobina de alambre alrededor del tubo y haciendo pasar corriente a través de él, tal y como se muestra en la parte b) de la figura A.12; esta disposición se conoce con el nombre de solenoide. Ahora, los electrones emitidos por el filamento están influenciados por un campo eléctrico radial y un campo magnético paralelo al eje de los cilindros. Es bien conocido que, cuando una carga eléctrica se mueve en presencia de un campo eléctrico y de un campo magnético, experimenta una fuerza conocida como Fuerza de Lorentz:
Donde v es el vector de velocidad de la carga (directamente proporcional al campo eléctrico aplicado), que adquiere debido al campo eléctrico existente entre cátodo y ánodo, y B es el vector del campo magnético. Como consecuencia de esta fuerza, los electrones ya no siguen un camino recto entre el filamento y el ánodo y el dispositivo ya no actúa como un simple rectificador. De la ecuación anterior se puede deducir que la trayectoria del electrón ahora se curvará a medida que se acelera en el campo eléctrico y magnético. Si usamos un campo magnético muy intenso, los electrones ni siquiera llegarán al ánodo, ya que sus trayectorias se curvarán tanto que volverán al filamento. Esto tiene el efecto de suprimir la corriente a través de la válvula, ya que ningún electrón emitido por el filamento llegará al ánodo. Si usamos un campo magnético relativamente débil, los electrones seguirán trayectorias curvas, pero llegarán al ánodo y todavía tendremos una válvula que actúa efectivamente como un rectificador. De esta manera, ahora tenemos un triodo que funciona usando un campo magnético para modular el flujo de corriente entre el filamento y el ánodo, en lugar de un campo eléctrico adicional inducido por la rejilla. Esta fue la idea perseguida originalmente por Hull. La figura muestra el efecto del campo magnético sobre la trayectoria de los electrones emitidos por el cátodo y sobre la corriente a la que da lugar dicho movimiento:
Principio de funcionamiento del magnetrón de Hull
De acuerdo con la figura anterior, hay un valor del campo magnético para el que los electrones se acercan mucho al ánodo, pero no lo llegan a tocar y vuelven al cátodo. Esto ocurre cuando la intensidad del campo magnético alcanza un cierto valor crítico denominado campo magnético crítico. Para cualquier valor del campo magnético más elevado, las trayectorias de los electrones serán más cerradas, cesando el flujo de corriente. El dispositivo se comporta como un triodo alrededor de este valor del campo magnético. El segundo efecto (y el que más nos interesa aquí) es que el dispositivo de Hull puede producir o.e.m. bajo ciertas condiciones de campo magnético, que también describió Hull en un artículo posterior. Lo vemos a continuación:
Cuando el dispositivo está sometido al campo crítico, algunos de los electrones realizan trayectorias completamente circulares, en forma de anillos concéntricos con el cátodo y el ánodo, pero sin tocar ninguno de ambos. Esto tiene consecuencias: al realizar esas trayectorias circulares sin chocar con nada ni con nadie, los electrones se aceleran y es un hecho bien conocido que cuando las cargas eléctricas se aceleran, irradian energía electromagnética. Es decir, cuando el dispositivo de Hull trabaja con el valor crítico del campo magnético, los electrones emiten energía en forma de o.e.m.
No obstante, el dispositivo de Hull no era muy eficiente, ya que los electrones acaban golpeando alguno de los electrodos, por lo que el número de electrones que se pueden mantener en las órbitas circulares en cualquier instante es un pequeño porcentaje del total de electrones emitido por el filamento. También se observó que la frecuencia de la radiación emitida dependía de la geometría de la válvula, razón por la que se llegaron a construir dispositivos primitivos que producían señales en la región de las frecuencias de microondas. Es decir, el magnetrón Hull era inestable y poco eficiente, pero representa una de las primeras formas de obtener o.e.m. de frecuencias de microondas usando una sencilla válvula de vacío con una combinación bastante simple de campos magnéticos y eléctricos estáticos. En un próximo artículo, describiré el funcionamiento del magnetrón de cavidades resonantes.
Un poco de ciencia, por favor 
Un comentario en “Principio de funcionamiento del Magnetrón”