Recojo aquí un extracto del contenido del Capítulo 2 de mi libro «El Radar en la historia del siglo XX. Una de las armas decisivas de la Segunda Guerra Mundial«.
El principio de funcionamiento del magnetrón involucra ideas muy parecidas a las descritas en un artículo anterior, pero hay que hacer nuevas consideraciones que añaden gran complejidad y quedan por completo fuera de los objetivos de este artículo. Daré una somera descripción del funcionamiento de este dispositivo.
Diagrama transversal de un magnetrón de cavidad resonante. Las líneas de fuerza magnéticas son paralelas al eje geométrico de esta estructura.
En líneas generales, el magnetrón de cavidad funciona de la siguiente manera, de acuerdo con la figura, que es un corte transversal de este dispositivo; es decir, la dimensión longitudinal del cátodo y la del ánodo son perpendiculares al plano del papel:
Esquema de un magnetrón de cavidades resonantes
1. Al igual que en el magnetrón de Hull, el cátodo que se va a calentar para emitir electrones es una varilla de metal y está situado en el centro del magnetrón.
2. El ánodo tiene forma de anillo y rodea completamente el cátodo, es la pieza en color rojo con unas oquedades, las cavidades resonantes, cuya función analizamos enseguida.
3. Al activar el cátodo, los electrones salen de él y atraviesan el espacio que hay hasta el ánodo en trayectorias radiales (mostradas por la flecha negra).
4. El dispositivo se coloca en el seno de un campo magnético a lo largo del tubo (paralelo al cátodo y, en este diagrama, perpendicular al plano del papel, siguiendo la dimensión longitudinal del cátodo y del ánodo).
5. Como resultado de la acción simultánea de los campos eléctrico y magnético, igual que en el magnetrón de Hull, las trayectorias de los electrones se curvan, tal y como muestra la figura. Al ser sus trayectorias ahora más alargadas que en ausencia de campo magnético, los electrones adquieren mucha energía del campo eléctrico durante su trayecto, de modo que, cuando llegan al ánodo, decimos que son electrones energéticos (a veces se dice que están “cargados”).
Una vista en perspectiva del magnetron de cavidades resonantes en la que se puede visualizar cómo son las trayectorias de los electrones en presencia del campo magnético aplicado según se muestra en la imagen. Los electrones emitidos por el cátodo viajarían radialmente hacia el ánodo en ausencia de campo magnético. En presencia del mismo, realizan trayectorias curvilíneas, ganando energía y “bombeándola” hacia las cavidades resonantes horadadas en el ánodo
Ahora debemos detenernos un momento en la forma de las cavidades y en su comportamiento eléctrico. Cada una de las cavidades se comporta como un circuito resonante LC: la superficie curva actúa como una inducción y el corte en el borde interno del ánodo que separa cada cavidad de la siguiente actúa como un condensador de placas paralelas. La figura lo muestra:
Detalle de las cavidades resonantes del magnetrón y circuito equivalente de cada cavidad. Se puede imaginar la energía “viajando” desde el condensador a la inducción y viceversa, en un proceso que, idealmente, no se detiene
De manera muy simplificada, un circuito oscilador resonante LC funciona de la siguiente forma: el condensador almacena energía en un campo eléctrico, mientras que la inducción almacena energía en un campo magnético. En esencia, al conectar un condensador cargado a una inducción descargada se obtiene una oscilación indefinida de energía de manera que la energía se desplaza entre uno y otro. En un oscilador LC ideal, la frecuencia de la o.e.m. que se desplaza de un elemento al otro se calcula muy fácilmente, tal y como muestra la figura A.16 y depende solo de los valores de C y L, que son a su vez dependientes de la geometría de las cavidades. Es decir, variando el diseño de estas, podemos variar la frecuencia de resonancia y por lo tanto, la de las o.e.m. emitidas.
6. Entonces, cuando los electrones llegan a las cavidades, lo hacen con la energía que han adquirido del campo eléctrico, tal y como ya he indicado. Los electrones depositan carga en la cara interna del ánodo, es decir, en uno de los elementos de las cavidades resonantes, cargando los “condensadores”, que actúan como iniciadores de las oscilaciones en las cavidades. El resultado de estas oscilaciones es la producción de o.e.m. Como todas las cavidades son idénticas, todas resuenan a la misma frecuencia. Es decir, todas contribuyen colectivamente a obtener o.e.m. de una frecuencia que viene definida por la geometría de las cavidades.
7. La radiación de microondas que producen las cavidades es recogida y canalizada por una especie de embudo llamado guía de ondas, conectado al ánodo del magnetrón, y es emitida al aire por la antena del equipo de radar.
Se puede encontrar una explicación más detallada con excelentes figuras en este artículo. Así mismo, hay un vídeo en YouTube que explica de una forma muy didáctica el funcionamiento del magnetrón de cavidad:
Como ya se dijo en un artículo anterior, el primer magnetrón de cavidad operativo se desarrolló en Gran Bretaña, de la mano de Randall y Boot. Este dispositivo fue perfeccionado en el marco del programa del radar puesto en marcha a raíz de la Misión Tizard, que he descrito en este vídeo. El primer magnetrón de producción se muestra en la figura:
El primer magnetrón de cavidad fabricado en serie, el E1189, de la empresa General Electric Company
Un poco de ciencia, por favor 