太涨见识了3D解析微波炉的磁控管原理

你敢相信第二次世界大战中发现轰炸机的军工级雷达，它用的核心部件和你家的微波炉用的是同一个东西，这个东西就叫磁共管。我们先看微波炉是如何加热食物的。微波炉会产生频率在2.45g赫兹的电磁波，2.45g赫兹有多快呢？相当于电磁波一秒钟转了二十几亿圈。而食物中含有的水是极性分子，它的正负电荷中心并不重合，所以在这种极高频率的磁场环境下，会不断旋转、碰撞，从而发生相互作用，产生热量，这样就能加热食物了。其中产生高频电磁波的核心零部件就是磁控管，我们来看看它是如何实现的。我们先看最简单的由电感电容组合而成的LC震荡，可以看到电子来回跑来跑去，相应的，电感会产生不断变化的磁场，此时在旁边放一个带电感的天线，这个变化的磁场也会影响到旁边的电感发生震荡，那么天线就会辐射电磁波。但这种结构辐射的能量非常微弱，很快就会消失，我们还需要再优化一下这个结构。为了方便理解，我们先看这个类似灯丝的结构，其中螺旋的部分是灯丝，另一端是阴极。电流通过阴极之后，灯丝热量增加，当带负电荷的电子到达，加热后的灯丝会有飞出现象，这个现象称为热电子发射。但这种情况下，电子飞出一段距离后又会快速回到阴极。现在在周围放置一个带正电的阳极，释放出来带负电荷的电子会被吸引加速移动至阳极。根据辐射理论，电荷在移动时会产生辐射，但现在这个装置电子快速跑到阳极之后就结束了，意味着电子的辐射效率偏低。我们希望电子从灯丝跑到阳极的过程能变慢一些，那么这里可以加上永磁体，永磁体形成的磁场使得电子的移动路径变成曲线，移动路径变长，也就相当于。于移动的速度变慢了，这个结构叫做赫尔茨共管，但现在的效果还不够好。我们希望能在这个结构中形成像LC震荡一样实现反复移动。那要如何实现呢？要实现这一点并不难，只需要将阳极改成这种带有凹槽的空腔结构。为了方便理解，我们先单独观察一个带有空腔的金属。假如一个负电荷在金属附近经过，那它会如图所示，同性相斥，排斥附近的电子。在移动到空腔附近时，这个区域使电子离开，相当于显正电性，对另一边相当于多得到电子，会显负电性。此时的空腔结构就像形成一个电容，如果在这里加上电感的话，就意味着会在这里产生LC震荡。再回到这个环形空腔结构，我们来看看第一颗电子飞出之后会发生什么。当飞到某一块凸起区域，相当于同性相斥，推动导体内的电子移动到隔壁，所以失去电子显正电。性，另一边得到电子显负电性，这两块凸起的位置就形成了正负极电场，那么这种情况不可能只发生在部分区域，一定是整个结构都发生相同的情况，所以可以看到整个腔体金属会形成这样的电场，它们的排列规律是一正一负交替相隔，而此时腔体金属的外曲面本身就像一个小型的电感，也就意味着会让这些内部电场形成LC震荡，就像现在看到这样反反复复来回变化，那么这个时候加上天线，我们想要的加强版电磁波就形成了。还有更加神奇的地方，我们看看电子移动的过程，由于电子是带负电荷，会被显正电性的腔体所吸引，而腔体是不断来回震荡变化的，所以可以看到电子会跟着正极电场移动，形成这种非常神奇的旋转现象，这个过程就像驴前面放一个胡萝卜。胡萝卜吸引驴向前，而又让。胡萝卜继续向前，那么腔体结构也是一样，电子来了会形成震荡，而震荡又吸引电子继续向前移动，就这么不断循环，那么这里天线只连接到一个单枪，我们再加强一下，把整个环形腔体都连接起来，还得加上散热片散热，这样就形成强大且高频的电磁波了。

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