Le magnétron

1) La composition du magnétron

La composition du magnétron est très complexe. Dans un premier temps, le magnétron est un tube disposant d'une symétrie circulaire. Il est aussi constitué d'une cathode à chauffage pouvant être direct ou indirect dans l'axe de laquelle se trouve une anode cylindrique et creuse.

La composition de l'anode est, elle aussi, particulière. Elle dispose de cavités, appelées cavités résonnantes. Ces dernières peuvent prendre différentes formes selon le magnétron.

De plus, un vide d'air appelé espace d'interaction sépare l'anode et la cathode.

Enfin, dans la composition du magnétron, il existe un système permettant de refroidir le bloc anodique. Ce système de refroidissement peut prendre deux formes : le refroidissement par ailettes d'une part ou bien par circulation à eau. Le deuxième système est particulièrement utilisé pour les magnétrons disposant d'une forte puissance.

Pour finir, des aimants disposant d'un rôle important dont nous parlerons par la suite sont présents dans le magnétron. Ces derniers sont fixés transversalement par rapport à l'axe du tube en haut et en bas du bloc anodique.

Photo représentant un magnétron :

Voici la photo d'une coupe transversale du magnétron :

2) Son fonctionnement

Entre la cathode et l'anode un champ électrique continu est appliqué. L'espace d'interaction entre l'anode et la cathode est extrêmement fin (de l'ordre de quelques millimètres seulement). Malgré ce faible espace d'interaction, ce champ a une tension extrêmement élevée de l'ordre plusieurs kilovolts, 2300 volts environ.

Des électrons sont libérés par la cathode puis accélérés par le champ électrique qui est continu. Les aimants jouent aussi un rôle essentiel. En effet, en leur absence, les électrons iraient directement sur l'anode selon des trajectoires radiales (Voir le Schéma A) et cela empêcherait la formation des micro-ondes.

Voici le Schéma A :

Schéma A : Ici nous observons, à l'aide des flèches, les trajectoires des électrons en l'absence de champ magnétique créé par les aimants.

Les aimants sont donc essentiels. Ils vont permettre la création d'un champ magnétique qui sera perpendiculaire à l'axe qui relit l'anode et la cathode. Cela va donner aux électrons un mouvement circulaire autour autour de la cathode comme le montre le Schéma B. Ainsi, les trajectoires prises par les éléctrons sont dites hélicoïdales : en fait, elles ont l'allure de cycloïdes.

Voici le Schéma B :

Schéma B : Ici, nous observons les trajectoires des électrons représentées par les petites flèches en présence du champ magnétique créé par les aimants. Le courant électrique est, lui, représenté par les longues flèches.

De cette façon, les charges évoluant entre la cathode et l'anode interagissent avec les cavités résonnantes situées dans le bloc anodique qui devient le support d'oscillations électromagnétiques. En fait, le rayonnement électromagnétique (dont nous allons parler dans partie suivante), c'est-à-dire les micro-ondes pour le four à micro-ondes, est dû à la vibration des électrons dans les cavités résonnantes.

Pour finir, il existe une valeur critique de l'induction magnétique notée Bc. L'induction magnétique se manifeste par un potentiel électrique qui apparait au boût d'un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique. La valeur critique est reliée à la tension appliquée entre la cathode et l'anode, notée Vo (en volts).

Si cette valeur critique est dépassée, les électrons ne sont plus en mesure d'atteindre l'anode. Ces derniers forment alors un nuage, appelé nuage électrique, tournant dans l'espace d'interaction. Ce nuage électrique est d'autant plus proche de la cathode que Bc est élevée.

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Voici la formule permettant de calculer cette valeur critique :

V0 = e/8m x Bc^2 x b^2 x ( 1 - a^2/b^2 )

a est le rayon de la cathode en millimètre
b est le rayon de l'anode en millimètre
V0 est la tension appliquée entre l'anode et la cathode en Volt
Bc est la valeur critique de l'induction magnétique en Tesla (T)
e est la charge élémentaire (e = 1,60 x 10^-19C)
m est la masse d'un électron (m = 9,11 x 10^-31 kg)

Et avec les données, la formule donne donc :

V0 = 2,19 x 10^10 x Bc^2 x b^2 x ( 1 - a^2/b^2 )

Précision : Nous n'avons pas pu démonter un four à micro-ondes afin de réaliser des mesures physiques de l'anode et la cathode. Ainsi nous n'avons pas de valeurs pour remplacer a et b qui seraient des distances en millimètres.

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Comme nous avons pu l'expliquer précédemment, c'est ce nuage électronique, évoluant dans l'espace séparant la cathode de l'anode, qui intéragit avec les cavités resonnantes du bloc anodique devenant le support d'oscillations électromagnétiques. Cependant nous n'allons pas aprofondir ce point car l'interaction entre les cavités et les électrons est trop complexe pour notre niveau en tant qu'élève de première.

Cependant, la question que l'on peut à présent ce poser est la suivante: une fois les micro-ondes créées, comment ces dernières sont -elles acheminées jusqu'à la cavité du four?

3) Du magnétron à la cavité du four

L'acheminement des micro-ondes vers la cavité du four est assez simple. Tout d'abord, une fois formées, les micro-ondes sont extraites du magnétron. Comment? Grâce à une boucle appelée boucle de couplage. Elles sont ensuite dirigées vers une sortie coaxiale dans laquelle on peut apercevoir une sorte de petite antenne (voir le schéma ci-dessous).

Ces 2 schémas nous présentent des coupes d'un magnétron et de son système de couplage permettant l'extraction des micro-ondes du magnétron.

L'antenne précédemment citée va servir à acheminer les micro-ondes jusqu'à un guide d'ondes.

Voici la photographie d'un guide d'ondes :

Dans un second temps, le guide d'ondes va faire suivre un chemin aux micro-ondes. En effet, il va entraîner les micro-ondes jusqu'à un brasseur d'ondes ayant le rôle de répartir les micro-ondes dans la cavité du four.. Qu'est-ce que ce brasseur d'ondes? Il s'agit tout simplement d'une hélice munie de pales métalliques qui en tournant réfléchit les ondes. Il est situé en haut du four juste à la sortie du guide d'ondes et permet d'homogénéiser la cuisson de l'aliment.

Voici la photographie d'un brasseur d'ondes:

Or les micro-ondes sont diffusées de manière rectiligne, ce qui signifie qu'elles arrivent toujours au même endroit final. C'est pourquoi, couplé à un plateau tournant sur lequel on dépose l'aliment, le rayonnement de micro-ondes est diffusé de manière optimale dans la cavité du four puis dans l'aliment.

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