Magnetron birçok radar cihazında kullanılan gönderme tüpüdür.
Magnetron 1921 yılında Albert Wallace tarafından güçlü bir mikrodalga gönderici tüpü olarak geliştirildi. Fakat ilk kullanımı 1940 yılında gerçekleşti.

 Magnetron, kendiliğinden uyartımlı gibi osilatördür, diğer Yürüyen Dalga Tüpleri ya da klistron doğrusal ışınım yapan tüpler gibi çalışır. Magnetronda, radar cihazına in yüksek gönderim gücünü üretmek için birbirine dik (çapraz biçimli) bir elektrik ve kuvvetli bir manyetik alan oluşur. Bu nedenle eski yayınlarda magnetron "çapraz alan üreteci” veya "çapraz alan osilatörü” olarak adlandırılmıştır.

Magnetronun günümüzdeki en yaygın kullanımı, mikrodalga fırınlardadır. Mikrodalga fırınlarda 2450 MHZ'lik bir EMD üreten birkaçyüz Watt'lık magnetronlar kullanılır.
 

 

Microwave tubes

For extremely high-frequency applications (above 1 GHz), the interelectrode capacitances and transit-time delays of standard electron tube construction become prohibitive. However, there seems to be no end to the creative ways in which tubes may be constructed, and several high-frequency electron tube designs have been made to overcome these challenges.

It was discovered in 1939 that a toroidal cavity made of conductive material called a cavity resonator surrounding an electron beam of oscillating intensity could extract power from the beam without actually intercepting the beam itself. The oscillating electric and magnetic fields associated with the beam "echoed" inside the cavity, in a manner similar to the sounds of traveling automobiles echoing in a roadside canyon, allowing radio-frequency energy to be transferred from the beam to a waveguide or coaxial cable connected to the resonator with a coupling loop. The tube was called an inductive output tube, or IOT:

Two of the researchers instrumental in the initial development of the IOT, a pair of brothers named Sigurd and Russell Varian, added a second cavity resonator for signal input to the inductive output tube. This input resonator acted as a pair of inductive grids to alternately "bunch" and release packets of electrons down the drift space of the tube, so the electron beam would be composed of electrons traveling at different velocities. This "velocity modulation" of the beam translated into the same sort of amplitude variation at the output resonator, where energy was extracted from the beam. The Varian brothers called their invention a klystron.

Another invention of the Varian brothers was the reflex klystron tube. In this tube, electrons emitted from the heated cathode travel through the cavity grids toward the repeller plate, then are repelled and returned back the way they came (hence the name reflex) through the cavity grids. Self-sustaining oscillations would develop in this tube, the frequency of which could be changed by adjusting the repeller voltage. Hence, this tube operated as a voltage-controlled oscillator.

As a voltage-controlled oscillator, reflex klystron tubes served commonly as "local oscillators" for radar equipment and microwave receivers:

Initially developed as low-power devices whose output required further amplification for radio transmitter use, reflex klystron design was refined to the point where the tubes could serve as power devices in their own right. Reflex klystrons have since been superseded by semiconductor devices in the application of local oscillators, but amplification klystrons continue to find use in high-power, high-frequency radio transmitters and in scientific research applications.

One microwave tube performs its task so well and so cost-effectively that it continues to reign supreme in the competitive realm of consumer electronics: the magnetron tube. This device forms the heart of every microwave oven, generating several hundred watts of microwave RF energy used to heat food and beverages, and doing so under the most grueling conditions for a tube: powered on and off at random times and for random durations.

Magnetron tubes are representative of an entirely different kind of tube than the IOT and klystron. Whereas the latter tubes use a linear electron beam, the magnetron directs its electron beam in a circular pattern by means of a strong magnetic field:

Once again, cavity resonators are used as microwave-frequency "tank circuits," extracting energy from the passing electron beam inductively. Like all microwave-frequency devices using a cavity resonator, at least one of the resonator cavities is tapped with a coupling loop: a loop of wire magnetically coupling the coaxial cable to the resonant structure of the cavity, allowing RF power to be directed out of the tube to a load. In the case of the microwave oven, the output power is directed through a waveguide to the food or drink to be heated, the water molecules within acting as tiny load resistors, dissipating the electrical energy in the form of heat.

The magnet required for magnetron operation is not shown in the diagram. Magnetic flux runs perpendicular to the plane of the circular electron path. In other words, from the view of the tube shown in the diagram, you are looking straight at one of the magnetic poles.

 

Elektromanyetik Dalgalar – Mikrodalga ve Mikrodalga Fırın

 

Küçük dalgaların büyük enerjisi....

Saniyede yaklaşık 2,5 milyar kez titreşen mikrodalgalar, yiyeceklerdeki su moleküllerinde, bunun iki katı titreşim oluşturur. Bu yoğun titreşimden kaynaklanan ısı enerjisi yemeklerin pişmesini sağlar.


Mikrodalgalar, aslında günlük yaşantımızın her alanında ihtiyaç duyduğumuz pek çok cihazın çalışmasını sağlayan bir enerji kaynağıdır. Cep telefonu, televizyon, radyo gibi cihazlar mikrodalgaları kullanarak çalışır. Konumuz olan mikrodalga fırınlarsa, oldukça yeni bir teknoloji ve çoğu icat gibi tesadüfen keşfedilmiş.

1946 yılında radarla ilgili bir araştırma projesinde görevli olan Dr. Percy Spencer, magnetron denilen vakum tüpü üzerinde çalışırken cebindeki çikolataların eridiğini fark etmiş. Bu duruma şaşıran Dr. Spencer, bir deney yapmak istemiş ve mısır tanelerini magnetronun yanına koyduğu zaman mısır tanelerinin kısa bir süre sonra patladığını gözlemlemiş. Bir buluş yaptığını hisseden bilim adamı çiğ bir yumurtayı magnetronun yanına koyarak arkadaşları ile heyecanla beklemeye başlamışlar. Yumurta da çok kısa bir süre içinde pişmiş ve patlamış. Bu keşif sayesinde yemeklerinin de kısa sürede pişeceğini fark eden bilim adamları, bugün kullanmakta olduğumuz mikrodalga fırının prototipini yaratmışlar.

Mikrodalga nedir?

Mikrodalgalar ışık hızında hareket eden, çok kısa dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalardır. Elektromanyetik dalgaları bir örnekle basit olarak açıklayalım: Durgun bir su birikintisine bir taş attığınızda suyun üstünde ufak dalgalar oluşur. Bu dalgalar genişleyerek tüm yüzeye dağılır. Bu tip dalgalara enine dalgalar denir ve mikrodalga da bir çeşit enine dalgadır.
  

Mikrodalga fırın nasıl çalışır?

Mikrodalga fırınlar elektrik enerjisiyle çalışır. Fırının içinde bulunan magnetron isimli cihaz, elektrik enerjisini mikrodalga enerjisine dönüştürerek 2.450 MHz frekansında mikrodalgalar üretir. Üretilmiş olan bu mikrodalgalar, dalga kılavuzu vasıtasıyla fırının içine ulaştırılır ve pişirmek istediğimiz yiyecek tarafından emilir. Saniyede 2,45 milyar kez titreşen mikrodalgalar yiyecek maddesinin içinde bulunan su moleküllerinde titreşim oluştururlar. Mikrodalgaların etkisiyle su molekülleri yaklaşık olarak saniyede 5 milyar kez titreşir. Bu yüksek hızdaki titreşmeden dolayı birbirine sürtünen su molekülleri, ısı enerjisi üretirler ve ortaya çıkan bu ısı enerjisi yemeklerin pişmesini, ısınmasını sağlar. Bu bağlamda içinde daha fazla su molekülü olan yiyecekler daha hızlı pişer.

   

 

Mikrodalga fırınlarla ilgili merak edilen konular

Çelik tenceremle mikrodalga fırında yemek pişirebilir miyim?

Hayır, çünkü mikrodalga ışınlar metal malzemelerden yansırlar, içlerinden geçemezler. Ama cam, seramik, plastik ve hatta kâğıt kapta bile yemeğinizi pişirebilirsiniz.

Mikrodalga ışınlar zararlı radyasyon yayar mı?

Mikrodalga ışınlar iyonize olamayan ışınlar grubuna dâhildir. Maddenin ve canlı hücrelerin yapısını değiştirmezler ve radyoaktif olarak zararsızdırlar.

Mikrodalga fırında pişen yemek zararlı mıdır?

Hayır değildir. Mikrodalga fırınlar sadece, elektrik enerjisini mikrodalga enerjisine; mikrodalga enerjisini de ısı enerjisine çevirir. Fırının içinde kimyasal veya radyoaktif bir işlem gerçekleşmez.

 

  
     

Elektromanyetik dalga; elektrik alanı ve manyetik alanı içerir. Elektrik (E) ve manyetik (B) alanları dalganın hareketine ve birbirlerine dik, enine salınım (osilasyon) gösterir.

Elektromanyetik dalgalar, belirli elektromanyetik işlemlerden sonra oluşan enerji saçılımı gösteren dalga türleridir. X-ray’den radyo dalgaları ve ışıklara kadar geniş bir çeşitliliğe sahiptirler.

(Not: Foton içeren dalgaların dalga boyu yükseldikçe gidebileceği mesafe artar; ancak gücü azdır. Bu yüzden dalga boyu yüksek olan radyo sinyalleri uzak mesafeleri gidebilmekte ancak X-ray UV gibi güçlü dalgalar uzun mesafelere taşınamamaktadır. Bunu ise aşağıdaki formülden çıkarabiliriz:

v=f*λ (1)

Denklem 1’de v dalganın hızını (m/s), f dalganın frekansını (1/s) ya da gücünü, λ ise dalganın dalga boyunu (m) göstermektedir.)

Elektromanyetik dalgalar, dalga boyuna göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılırlar:


Elektromanyetik spektrum (Görünebilir ışığın dalga boyları ile birlikte)

Bu yazımızda mikrodalga spektrumu ve bu dalga ile çalışan mikrodalga fırınlardan bahsedeceğiz. Mikrodalga frekansı 1 GHz ile 300 GHz, dalga boyu ise 1 m ile 1 mm arasında olan elektromanyetik dalga sınıfıdır. Kullanımı aşağıdaki alanlardadır:

İletişim: GSM, GPS, wi-fi ve bluetooth’lar ve amatör radyolarda (düşük frekanslarda, radyo dalgalarına yakın); uydularda (yüksek frekanslarda)



Hız radarlarının çalışma prensibi. Arabaya gönderilen ve yansıyan dalgalardan arabanın hızı bulunur.

Radarlar cisimlerin yerini ve hızını algılayan aletlerdir. Otomatik kapı algılayıcılardan askeri uygulamalara kadar geniş bir uygulama alanına sahiptir. Radarlar mikrodalganın en sık kullanıldığı alanlardan biridir. Yüksek hassasiyet isteyen uygulamalarda yüksek frekanslar; hava durumu veya hız belirleme radarları gibi düşük hassasiyet içeren uygulamalarda düşük frekanslar kullanılır.

Radyo teleskoplarda güneş sistemini incelerken mikrodalga kullanılır.


   
Mikrodalga ısıtma prensibi

Ev tipi mikrodalga fırınlarda (2.45 GHz) ise amaçlanan işlem mikrodalga radyasyon ile besinlerin içerisindeki suyun ısıtılmasını, dolayısıyla besinin pişmesini sağlamaktır. Prensip ise basittir: Mikrodalga ısıtılacak madde ile etkileşime geçince maddenin içindeki polar moleküller oluşan elektromanyetik alana göre kendini konumlandırır. Elektromanyetik dalganın içindeki elektrik ve manyetik alanları sürekli salınım halinde olduğu için polar moleküller sürekli kendini konumlandırmaya çalışır. Bu rotasyon ise moleküllerin hareketine ve birbiriyle çarpışmasına; dolayısıyla maddenin ısınmasına sebep olur. Apolar maddelerde ise ısınma nispeten daha zordur; çünkü polar maddelerdeki gibi hareket edebilecek serbest elektronlar yoktur. Dolayısıyla mikrodalga fırında suyun ısınması, yağ ve şekerin ısırmasından daha kolaydır.



Mikrodalga ısıtma ile doğrudan ısıtma

Mikrodalga ısınmanın normal ocakta (konveksiyonel) ısıtmaktan en önemli farkı mikrodalga ısıtmada ısınma içeriden dışarıya doğru olurken, konveksiyonel ısıtmada ısınma dışarıdan içeriye doğru olur. Dolayısıyla mikrodalga fırından çıkardığınız bir yemeği ya da herhangi bir cismi elinize hemen almayın veyahut illa alacaksanız bile ısıya dayanıklı bir fırın eldiveni kullanın, çünkü ilk başta ısınmadığı sandığınız cisim kısa bir süre sonra kor gibi sıcak olacaktır.



Elektromanyetik Dalgalar – Mikrodalga ve Mikrodalga Fırın



Mikrodalganın temel parçaları

Mikrodalga fırınlarda mikrodalga radyasyonu,
Magnetron adı verilen yüksek vakumlu tüpte elektronların hızlandırılması ve hızlanan elektronların bir seri metal boşluklardan (multi-mode cavities) geçmesiyle oluşur.

Son olarak mikrodalga fırın kullanacaklara tavsiyeler:

– Tek bir seferde uzun calıştırmayın (tavsiyem maksimum 5 dk)

– Mikrodalganın çalışırken kapağının kapalı olduğundan emin olun. Kapağı ya da herhangi başka bir aksamı kırılmış mikrodalgayı kesinlikle kullanmayın.

– Asla ve asla mikrodalgada su pişirmeyin. Aksi takdide suyu fırından aldığınızda ani bir buhar patlaması yüzünüze gelebilir.

– Mikrodalga fırına asla alüminyum folyo koymayın, çünkü kıvılcım çıkarmaya sebep olabilirsiniz. Eğer fırınının içinde yangın olursa fırının kapağını açmadan fırını doğrudan fişten çekin.

– Pişirme kabı ya da tabağı seramik olabilir. Fırında pişirmek için kullanılan özel aparatlardan alın.

 

 

 

 

Mikrodalga Işınlar



Elektromanyetik spektrum


Mikrodalgalar, dalga boyu çok kısa olan, ışık hızında hareket eden elektromanyetik bir enerjidir. Elektromanyetik dalgaların 103MHz-106MHz arasındaki frekans grubu mikrodalga bandı olarak belirlenmiştir. Bu frekans grubu ise radyo dalgaları ile kızıl ötesi ışık arasında yer almaktadır. Ulusal Haberleşme Komisyonu mikrodalganın, radyo yayınlarında kullanılan dalgalarla etkileşimini önlemek için, gıdalarda ısıl işlem amacıyla kullanılacak mikrodalga frekanslarını belirlemiştir. 2450 MHz ev tipi mikrodalga fırınlarda, 915 MHz ise endüstriyel mikrodalga fırınlarda kullanılan frekanslardır. Frekans düzeyi mikrodalganın etki derinliğini değiştirmektedir. Mikrodalgalar 2450MHz’de 10 cm’ye kadar, 915MHz’de ise 30 cm’ye kadar etki derinliği oluşturabilmektedir.

Mikrodalga fırın temelde içinde dalgaların duvarlardan yansıdığı ve yankılı bir sistem oluşturduğu metal bir kutudur. Mikrodalganın materyal ile teması sonucu değişik şekilde etkileşimler oluşmaktadır. Metaller dalgayı yansıtırken, su ve gıda maddeleri tarafından absorbe edilmekte, cam, kağıt, plastik ve tahtadan hiçbir değişikliğe uğramadan geçebilmektedir.

  
Fırın içerisinde mikrodalgalar üretmek için magnetron denilen araçtan yararlanılır. Bu araç elektrik fişinden aldığı enerjiyle mikrodalgalar oluşturur. Oluşan mikrodalgalar bir anten yardımıyla dalga kılavuzu denilen boş bir tüpe yöneltilir. Bu tüp tarafından vantilatör gibi bir karıştırıcıya aktarılan dalgalar fırının içerisine dağıtılır ve fırın duvarlarından yansıyan ışınlar gıda içindeki su molekülleri tarafından emilirler.

                      
Mikrodalga Fırının Çalışma Prensibi

Mikrodalganın Gıda Maddesi ile Etkileşimi

Mikrodalgayı absorbe eden gıda maddesinde ısınma, moleküler sürtünme sonucunda oluşmaktadır.

Su moleküllerinin bir ucunda hafif pozitif bir yük, diğer ucunda da hafif negatif bir yük vardır. Emilme sürecinden önce bu yükler gıda içerisinde rastgele dağılmışlardır. Fırın duvarlarından yansıyan mikrodalgaları emen moleküller, dalgaların elektrik alanına göre düzenli bir yapıya geçme eğilimi gösterirler. Elektrik alan saniyede milyarlarca (~ 2,45 milyar) kez salınır ve su moleküllerini etkileyerek konumlarını değiştirir. Bu sırada meydana gelen sürtünmenin etkisiyle ürünün her bölgesi eşit düzeyde ve aynı anda ısınır ve böylece gıda, pişirilir, kavrulur, kurutulur veya sterilize edilir.

Mikrodalga uygulanabilmek için bir ürünün dielektrik kaybına sahip olması gerekmektedir. Yani değişken bir elektromanyetik alan uygulandığında madde içinde dipolar elektrik yüklerinin oluşması gerekmektedir. Su molekülleri kolaylıkla dipolar elektrik yükleri oluşturabildiğinden, su içeren yapıda her ürün, mikrodalga ile ısıtmaya uygundur.

Introduction to Microwave

Microwave is one of radio wave, and radio wave is one of electromagnetic wave.

 

Since the electromagnetic wave is spread by the interaction of electric field and magnetic field, it can also be spread in a vacuum.

 

Electromagnetic wave is a wave that has two elements, such as wavelength and frequency. Wave length is about the length of top to top of the wave, frequency is number of waves that appears in a second.

 

The velocity of electromagnetic wave in a free space, such as vacuum and air, is constantly 300,000km per second regardless of frequency. Wave length equals to this divided by frequency.

 

As shown in Figure 1, electromagnetic wave is called differently depends on frequency. It is used in various applications according to their characteristics. Light is also a kind of electromagnetic wave. The electromagnetic waves that are less than 3000GHz, is classified as radio wave. Radio wave that has frequency of 300MHz to 300GHz(wave length of 1m to 1mm) is known as microwave.

 

Microwave has been applied to communication, radio telescope for astronomy, radar surveilance system, and also to GPS positioning system known as car navigation system. Heating is another application of microwave.

 

 

Figure 1: Application and classification of electromagnetic wave

 

---

2: About the frequencies that can be used for Microwave heating device

ITU (International Telecommunication Union) would assign the available frequencies of radio wave that depends on use. It is finally decided by the laws of each countries.

 

Regarding microwave that has frequency of 300MHz to 300GHz (wave length of 1m to 1mm), ITU has allocated frequencies for the purpose of industrial, scientific, medical use, as shown in Table 1.

 

433.92MHz has been recognized as ISM frequency in some countries, in the first region (Europe).

915MHz has been recognized as ISM frequency in the second region (North and South America)

ISM frequencies that can be used worldwide is the ISM frequency of 2450MHz or higher.

 

Table 1: ISM frequency of microwave band

 

On the other hand, there is a law with strict limits to regulate leakage of radio waves in order to

avoid interference with  telecommunication failure. However, for example, the Radio Law doesn't

regulate the limit of radio leakage for the ISM frequency of 2450MHz band.

 

Therefore, microwave device that uses this frequency band (called ISM equipment) better be designed to meet the safety limits.

 

In contrast, devices that use radio frequencies other than the ISM frequency need a large-scale

countermeasurement for radio leakage to meet the regulation of Radio Law, such as, radio wave

shields for equipment installation room, or for entire building.

 

This is why various industrial heating equipment is using ISM frequency, including microwave oven at home.   The 2450MHz is the most popular among ISM frequency bands due to not only being usable in any countries in the world, but also existence of a microwave oscillator tube shown in Figure 2. The relatively inexpensive magnetron (Output: 300W to 10kW) that is compact built, light weight, and permanent magnet attached, is also a huge contribution to market expansion of the 2450MHz band.

Figure 2 2450MHz band Magnetron (output 2kW water-cooled type)

---

3: The principle of microwave heating

You may have experienced that you could not have seen the BS broadcasting TV channel when it is raining hard. The most efficient frequency of the microwave absorption of water is said to be around 18GHz.

    

The frequency of microwave oven is 2.45GHz (2450MHz). And the frequency of BS broadcasting TV is around 12GHz. You can probably understand the reason for not being able to see the BS broadcasting TV in hard rain by now. It is that BS airwaves have been absorbed by the rain. Power of BS airwaves is weak, so rain will not be heated. But in principle, rainwater is heated by the absorbing power from BS airwaves.

In this chapter we explain about, "The principle of microwave heating", "Microwave power absorbed by the dielectric", "The depth of microwave penetration into the dielectric", and "Dielectric properties of the dielectric".

IEC(International Electrotechnical Commission) defines, Microwave heating is to heat dielectric materials through mainly their molecular motion and their ionic conduction by the action of electromagnetic waves of 300MHz to 300GHz.

 

The principle of the microwave heating is very difficult. And it's not easy to explain, but the following will give you a rough idea.

 

"For the vibration of microwave field, for example, when permanent electric dipole in the dielectric materials follows the oscillation of the microwave field slightly later, i.e., to the change of microwave field, in case permanent electric dipole changes with phase lag, this phase delay is the resistance to change of microwave field. Then, the permanent electric dipole will be heated by this resistance." Briefly, "The permanent electric dipole is forced to vibrate while resisting and genarates heat by this action."

 

Followings are explanation with figures:

Figure 3 shows the structure of water molecules that are discussedas representatives of the permanent dipole.

 

Water consists of two hydrogen atoms and one oxygen atom. It doen't have electric charge as a whole, a oxigen atom is bounding with two hydrogen atoms at an angle of 104.5°. Those atoms take a little charge of each minus(-) and plus(＋) to form a dipole.

 

 

Figure 3　The structure of water molecules (left) and Image of permanent dipole (right)

 

 

Then as shown in Figure 4, when there is no external electric field, it has set a balance. But when placed in external electric field, dipole will turn towards the electric field.

 

1) When there is no external electric field	2) When there is an external electric field
Figure 4　Direction of dipoles influenced by external electric field

 

For example, when the water is irradiated with radio wave, it means to give a electric field for alternating. In case of microwave oven, vibration of 2450 million times plus and minus to be replaced per second.

 

Figure 5 shows a case where a too much lower frequency of radio wave is irradiated to the permanent dipole of water. In this case, the permanent dipole will immidiately follow the directions of electric field. So in this case, water doesn't generate heat.

 

On the other hand, Figure 6 shows a case where a too much higher frequency of radio wave is irradiated to the permanet dipole. In this sice, since electric field changes its direction too fast, dipole won't be able to follow. Then, water does not genarate heat in this case also.

 

Microwave penetrates into the object at the speed of light. And the object to be heated generates heat on their own. So it allows rapid response. For examle, you can start and stop the heating instantly. In addition, by the adjustment of microwave output, you can control the amount of heat energy generated inside the heated object. Therefore as shown in Figure 13, you can instantly respond to the temperature changes of the object to keep the temperature setting.

 

Figure 13: Rapid response and temperature control

 

 

 

 

Figure 5 At too lower frequency of radio wave

Figure 6 At too higher frequency of radio wave

 

In contrast to these, Figure 7 shows a case where moderate frequency of radio wave is irradiated to the permanet dipole. In this case, the permanent dipole changes a little behind the electric field. During the time delay, water is absorbing energy from radio wave and genarates heat. And, this moderate frequency is the microwave.

 

Figure 7　At moderate frequency of radio wave (microwave)

 

From the above description, you might think that microwave can only heat dielectric materials. However, metal such as stainless steel, metal oxides such as iron sand can also be heated in microwave.

 

And, even for metal powder, microwave penetrates inside while heating. However, for the metal plate, most of microwave will be reflected instead of penetrating.

 

In this chapter, instead of explaining about the metal, "The microwave power absorbed by the dielectric", "The depth of microwave penetration into the dielectric", "Dielectric properties of the dielectric" are explained.

 

Microwave heating, as shown in Figure 8, there is a difference in microwave power absorption depending on the material.

 

For example in Figure 8, a borosilicate glass is sold as microwavable glass container. When this glass is heated with water in it, only water gets heated. That's because microwave power absorption of the glass is ignored since there is only 3000/1 of water.

 

Therefore, as shown in Figure 12, when a good material of container is selected, microwave can only heat the object and heat efficiency improves substantially.

 

Figure 12: Selected heating

 

In Figure14, shows the basic structure of microwave power application apparatus. Microwave that is generated by magnetron built inside the Generator ①(Oscillator), Transferring Waveguide⑥, Isolator②, Power Monitor③, Waveguide⑥, EH-Tuner④, then reaches the Applicator⑤ to heat the object to be heated inside the Applicator.

 

In here, microwave that is oscillated by the Generator is called the traveling wave (or incident wave). On the other hand, microwave that is reflected by the Applicator is called the reflected wave (or reflection wave) And the microwave power consumed within the Applicator, is same value as reflected wave deducted by the traveling wave. ( Strictly speaking, micorwave power consumption from EH Tuner to the Applicator )

 

Figure 14 The basic structure of microwave power application apparatus

 

 

 ①Generator (Oscillator)：　A device that oscillates microwave. Generator is connected to a waveguide (the waveguide standard: WRJ-2/WRI-22, Flange:BRJ-2/FUDR22) has opened nozzle. The microwave which is generated by magnetron propagates in waveguide to be emitted from the nozzle.

 

Therefore, as shown in Figure 14, operating tests must be done after the connection of microwave devices to the Applicator. Otherwise, it is dangerous.

 

②Isolator：　A device, sends traveling wave directly to the Applicator, and absorbs reflected wave by built-in dummy load to avoid returning back to the Generator.

 

Reflected wave which occurs by rotation of the Turntable and the Stirrer. Isolator can reduce the influence of reflected wave fluctuation. Without this fluctuation, magnetron can continue stable operation. In other words, Isolator functions to protect magnetron

 

③Power Monitor：　A device that monitors traveling and reflected waves of microwave power propagating through the rectangular waveguide. Must be careful when reflected wave becomes large, there is an increase in error.

 

Micro Denshi's Power Monitor has been devised to show the power accurately, even when magnetron is driven by other power supply.

 

④EH-Tuner：　There are two kinds of tuners, which are three stub and EH. EH-Tuner is recommended for easy adjustment. By adjusting E- or H-tuner, changes the phase and magnitude of microwave reflection at the tuner section It is also adjustable to set the display value of reflected power to zero by adjusting E- or H- tuner.

 

This means that, by adjusting E- or H- tuner, generates a same magnitude reverse phase wave to counter the reflected wave. And as a result, the reflected wave has been denied.

 

When the reflected power wave value is zero on the display of Power Monitor, power consumption of after tuner to inside applicator is maximized. This condition is called "The matching"

 

⑤Applicator：　A heating tank that heats the object placed inside by irradiation of microwave. Depending on the application, ther are a variety of shapes, such as batch type, conveyor type, waveguide type, etc.

 

Micro Denshi's applicator has been devised to minimize the reflection caused at the junction of waveguide.

 

⑥Waveguide：　Microwave (electromagnetic wave) propagates in the interaction of electric and magnetic fields. Microwave is transmittable when metal pipe with cross section is used.

 

In general, for the microwave heating equipment, 2GHz standard rectangular waveguide of rectangular cross section is used. ( Standard waveguide: WRJ-2/WRI-22, Flange: BRJ-2/FUDR22)

 

Microwave Ovens

Microwave ovens are one of a few electric methods of cooking. The microwave oven evolved from research on Doppler radar technology by accident when a researcher (Percy Spencer at Raytheon) found a chocolate bar in his pocket had melted when he was exposed to microwave radiation.

1.) How it Works
1.a) The Magnetron
2.) High Frequency Power Supply
3.) Notes on the History

 

1.) How it Works:

The microwave oven uses a magnetron to generate microwave energy. The microwave energy travels through a waveguide and is distributed into a metal cavity where the food is cooked. The waves are absorbed by the food and excite water molecules in the food. This heat then transfers throughout the food cooking it.

 

The microwave oven is faster than a conventional oven because the microwaves can penetrate into the food and heat the food from the inside out. In a conventional oven heat comes from the outside and slowly works its way into the food through standard slow heat transfer processes.

1.a) The Magnetron



The cavity magnetron is the main component of a microwave. The magnetron is an oscillator where electrons are emitted from a hot cathode and whirl past resonant cavities which are part of the anode at speeds that generate microwave energy. This microwave energy is coupled out of the vacuum via a probe which is connected to a waveguide to deliver the energy to the oven (see our video below for a motion graphic illustrating this whole procedure). The magnetron is a high powered vacuum tube.

The concept of the magnetron was invented by Dr. Albert W. Hull in Schenectady in the 1930s. His designs were for more power control and a few oscillators were also devised for generating energy in the 100s of MHz.

How microwaves work

Microwaves are a form of electromagnetic radiation, like radio waves. They are generated by a device called a magnetron, and they pulse rapidly back and forth inside an oven at a carefully calibrated frequency.

A Magnetron is connected to a high voltage source. This magnetron directs the microwaves into the metal box where our food is placed. These waves bounce off the oven’s interior metal walls and pass through paper, glass, and plastic, but they get absorbed by the food. More specifically, these waves are absorbed by the food’s water content. This absorption makes the molecules oscillate back and forth, creating heat and cooking the food from the inside out, the outside in, or uniformly, depending on where the water lies.

--------------------------------------

Microwaves cook food using the heating effect of high-frequency radio waves. The oven produces these microwaves at intervals during the cooking process, the number and length of the pauses is dictated by the power level you choose.

Control panel - Cooking time and power level are set using the control panel. Your oven may also have presets for common tasks like defrosting and reheating.

Microwave cooking

Power supply - 230V mains power supply passes through safety systems designed to cut the power in the event of overheating or the door being opened.
Making waves - The mains voltage is stepped up by a transformer and a capacitor to around 3000V, to power the magnetron, which generates the microwaves.
Wave guide - Microwaves are conducted through the wave guide into the cooking chamber. Here they are reflected from the walls and door, and penetrate the food from the sides and above.
Turntable - A turntable rotates the food slowly to give even cooking. Some ovens achieve this by using a microwave stirrer instead, and this is positioned inside the roof of the chamber.

How Microwaves Cook Food:

Microwave ovens use high-frequency radio waves (microwaves), oscillating at approximately 2.5GHz, to cook your food. At this frequency microwaves are absorbed by water, certain fats and sugars – the primary constituents of most foods.

moleculesIn a water molecule, the two hydrogen atoms (shown in red) carry a small positive charge, and the oxygen atom (blue) carries a negative charge. The oscillating electric field of the microwave interacts with these charged atoms to cause the molecule to twist. This rotation causes friction, producing heat to cook food or boil fluids.
 

The powerful voltage would then be dynamically convert the high voltage in to undulating waves of electromagnetic cooking energy through magnetron tube.


The microwave energy is transmitted into a metal channel called a waveguide , which feeds the energy into the cooking area where it encounters the slowly revolving metal blades of the stirrer blade . Some models use a type of rotating antenna while others rotate the food through the waves of energy on a revolving carousel.

 

 

Microwave oven for preparing food: (1) glass plate on which the food is placed; (2) fan whose blades, by rotating, reflect the microwaves in all directions in order to heat the food on all sides; (3) wave guide; (4) magnetron; (5) timers

 

 

 Mikrodalga Fırın

Mikrodalga fırını (MD), yiyeceği ısıtmak için mikrodalgaları, yani radyo dalgalarını kullanan bir fırın çeşididir.

Mikrodalgalarla pişirme fikri ilk kez Percy Spencer tarafından, radar olarak kullanılması planlanan "magnetron"un keşfedilmesiyle 1945'li yıllarda başlamıştır. 1947'de bu buluşunun patentini almış ve ilk mikrodalga fırını 1,8 metre boyunda ve 340 kg ağırlığında olarak tasarlamıştır. Mikrodalga fırın, 1947'de mutfak eşyaları üreticisi olan Raytheon şirketince "Radarange" adıyla kamuoyuna duyurulmuş olsa da, gerek fiyatının çok yüksek oluşu gerekse büyükçe bir buzdolabı boyutlarında olması nedeniyle ticari olarak pek ilgi görmedi.

Evlerde kullanılan ilk mikrodalga fırınlar, 25 Ekim 1955'te Tappan şirketi tarafından satışa çıkarılmış olup günümüzde ABD'de yaklaşık olarak 80 milyon mikrodalga fırının olduğu tahmin edilmektedir. Bu sayının yarısı son yıllardaki satışlara aittir.


Çalışma Şekli

Mikrodalgalar, elektromanyetik spektrumun radyo dalgaları ile kızıl ötesi ışınlar arasındaki bölümde kalırlar. Frekansları 1 GHz ila 1000 GHz arasında, dalga boyları 0,1–100 cm olan elektromanyetik dalgalardır.

Dalgaların frekansları ile dalga boyu arasında; yüksek frekanslı dalgaların kısa dalga boyu, alçak frekanslı dalgaların ise uzun dalga boyu yayması ilişkisi ya da tam tersi durum vardır. Normal fırınların kapağında bulunan küçük delikler, ışık dalgalarının geçmesine izin verirler ve bu nedenle fırının içi görülür. Çünkü ışığın dalga frekansı oldukça yüksek, dalga boyu da çok küçüktür, mikrodalga fırınların yemeği ısıtmak için kullandığı elektromanyetik dalgaların ise frekansı düşük ve dalga boyları daha uzundur. Bu yüksek dalga boyuna sahip dalgalar kapaktaki deliklerden geçemez ve tekrar içeri yansırlar.

Mikrodalga fırınlarda 2,45 GHz’lik bir frekans kullanılır. Bu frekansın kullanılmasının önemli bir sebebi vardır. 2.54 Ghz, su moleküllerinin rezonans frekansıdır. Bunun sonucu olarak 2.54 Ghz'lik mikrodalga ışıma en çok su tarafından emilecektir. Çoğu yiyecek de su içerdiğinden ısınacak, mikrodalga fırına uygun tabaklar ise su içermediğinden ısınmayacaktır.

Bu rezonans sayesinde de su molekülleri ısınacak, maddenin kendisi de pişecektir. Az su içeren yemeklerin mikrodalga fırınlarda ısıtılması uygun değildir.

Mikrodalga, bu özel fırınların içindeki "magnetron" adı verilen vakum tüpünden üretilir. Magnetron, Doğru akılmlı elekrik enerjisini "mikrodalgalar"a dönüştürür, mikrodalga fırın bu şekilde çalışır.

Bu frekanstaki dalgalar, başlıca su olmak üzere bazı maddeler tarafından emilirler, dalgalar, bu maddelerin moleküllerini atomik devinime uğratarak mikrodalga enerjiyi ısıya dönüştürürler. Bu nedenle içinde daha çok su molekülü taşıyan besinler daha hızlı pişer.


Bu mikrodalgaların özellikleri şöyle sıralanabilir:

Su, şeker ve yağlar tarafından emilir,

Emildiği ilk anda atomik ısıya dönüşür,

Çoğu plastik, cam ve porselen tarafından emilmez,

Metaller tarafından yansıtılırlar.


Mikrodalga fırınlarına metal malzemeler koyulmamasının nedeni de bundan kaynaklanmaktadır.


Mikrodalga ile pişirme, geleneksel pişirme yöntemlerinden hem daha hızlıdır hem de pişirme sürecinde yalnızca besin pişer, fırın ve ortam ısınmaz.

Mikrodalgaların enerjileri, besin içinde ısıya dönüştüğü için, besin içinde bir radyasyon oluşması vb. bir durum genellikle söz konusu değildir.



İçten dışa pişirme hakkında

Mikrodalga fırının çalışmasındaki en önemli özelliklerinden birinin, yemeği normal fırınlar gibi "dıştan içe" değil, "içten dışa" doğru pişirmesi olduğu söylense de bu bir mantık hatasıdır. Diğer pişirme yöntemlerinde ısı dıştan içe doğru yayıldığı için, mikrodalgaların etkisi "içten dışa" olarak algılanmakadır; aslında mikrodalga fırınlarda pişirme, "heryere aynı anda etki etme şeklinde" dir.

Diğer fırınların "dıştan içe" pişirme yönteminin avantajlı olmadığı ve bazen kötü sonuçlara sebebiyet vereceği açıktır. Örneğin fırında pişen keke normal olarak 350 °C ısı vereceğimize 600 °C verirsek, kekin dış kısmı kısa bir sürede yanacaktır, ayrıca kekin iç kısmı da pişmeyecektir. Bunu etkileyen bir diğer faktör de fırının verdiği kuru sıcaktır, kuruluktan ötürü yemeğin suyu kolayca buharlaşır ve verimsiz bir şekilde pişmiş olur.

Mikrodalgalarda kullanılan radyo dalgaları ise yemeğin içine nüfuz eder, hatta bunu yaparken yemek dışında kalan hava moleküllerini de ısıtmaz, böylece enerjisini verimli kullanmış olur. Ayrıca mikrodalga fırın içerisindeki yemeğin katmanları arasında sıcaklık farkı yoktur. Çünkü ısı yemeğin tüm moleküllerini aynı anda ısıtır ve enerjilerini artırır. Isının iletim yoluyla dıştan içe doğru gitme zorunluluğu yoktur. Ayrıca mikrodalga fırınların iç sıcaklığı oda sıcaklığına eşittir. Yani yemeğin kabuk tutmasına imkân yoktur.

Tabii ki radyo dalgalarıyla ısıtmanın da bir sınırı vardır, örneğin kalın yiyeceklerde ısının içe ulaşması daha zor olmakta, bazı yiyeceklerde ısının toplandığı noktalar olmaktadır. Ancak bu dezavantajlar, fırının sağladığı faydaların yanında küçük ölçekli olarak kalır.

Sonuç olarak mikrodalganın pişirme yöntemi her bölgeye eşit şekilde ve tüm atomları hareketlendirerek olmaktadır, mikrodalga iletim yoluyla ısıtma yapmamaktadır, büyük bir buluş olmasını da bunlara borçludur.


Dikkat edilmesi gerekenler

Mikrodalga fırında herhangi bir mikrodalga kaçağı olmadığından emin olunmalıdır, böyle bir durum söz konusuysa yetkili servis çağırılmalı, sorun düzeltilinceye kadar fırına yakın bulunulmamalıdır.

Mikrodalga fırında metal eşyaların kullanılmadığından emin olunmalıdır.

Et ve sebzeler eşit parçalar halinde koyulmalıdır, böylece hepsi aynı derecede ısınır.

Kağıt tabaklar, porselen kupalar, peçeteler koyulabilir. Ancak folyo içeren kâğıt (süt kutusu), naylon ve sentetik içeren ürün, gazete kağıdı koyulmamalıdır.


   
Enerji

Mikrodalga fırınlar normal fırınlara oranla 4'te 3 daha az güç harcamaktadırlar. Örneğin elektrikli bir fırın 1000-1500 Watt’lık elektrik enerjisi harcarken, mikrodalga fırınlar yalnızca 300-500 Watt’lık bir enerjiyle çalışırlar. Yani çok daha verimlidir.

 

Mikrodalga Nedir?

Ortamdan gıdaya aktarılacak veya gıdadan ortama aktarılacak ısı bilindiği üzere kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyon olmak üzere 3 farklı mekanizma ile gerçekleşebilir. Elektromanyetik dalgalar ile aktarılan enerjiye radyasyon denmektedir.

Elektromanyetik dalgalar salınım halinde birbirine ve yayılma yönüne dik elektrik ve manyetik alandan oluşmaktadır. Elektromanyetik radyasyon, dalga boyu 10-16 m’den daha az kozmik ışınlarla 10 km’den daha büyük elektriksel güç dalgalarını da içerisine alan çok geniş bir aralığı kapsamaktadır. Elektromanyetik spektrumda ayrıca gama ışınları, X-ışınları, mor ötesi ışınları, görünür ışık, kızıl ötesi ışınları, mikrodalgalar ve radyo dalgaları yer alır.

Elektromanyetik radyasyonla ısıtma Mor ötesi, görünür ışık ve kızıl ötesi ışınlarını içerisine alan termal radyasyon bölgesinde veya mikrodalga ve radyo dalgalarını içerisine alan dielektrik ısıtma bölgesinde yapılabilir (Sekil 1).

Mikrodalga, 300 MHz ile 300 GHz aralığında frekansa sahip, nükleer veya iyonize olmayan bir ışın şekli olup, TV ve FM radyo dalgaları gibi elektro manyetik dalgalar şeklinde yayılan bir enerjidir.

Şekil-1: Elektromanyetik Spektrum



Dielektrik Isıtma
Mikrodalgalar veya yüksek frekanslı radyo dalgaları kullanılarak yapılan ısıtma işlemine dielektrik ısıtma denmektedir. Elektromanyetik spektrumda frekansları 100 Hz ile 300 MHz arasında değişen dalgalara radyo dalgaları, frekansları 300 MHz ile 300 GHz arasında değişen dalgalara da mikro dalgalar denilmektedir.

Mikrodalgalar ve radyo dalgaları frekansa ve materyalin dielektrik özelliklerine bağlı olarak yansıtılabilir, absorbe edilebilir veya materyal tarafından absorbe edilmeden geçirilebilir. Biyolojik materyaller elektromanyetik dalganın elektrik alan enerjisini absorbe ederken manyetik alan enerjisini absorbe edemezler. Cam ve ısıya dayanaklı plastik maddeler gibi ambalaj materyalleri genelde dielektrik ısıtma frekanslarındaki elektromanyetik dalgaları çok az veya hiç absorbe etmeden geçirirler.

Termal Radyasyon
Termal radyasyon sıcaklığı 0°K üzerinde olan bütün maddeler tarafından yayılmaktadır. Termal radyasyon bir maddedeki molekül, atom veya elektronların titreşimsel ve döngüsel hareketleri sonucunda oluşmaktadır. Maddenin sıcaklığındaki artışla birlikte yaydığı termal radyasyon oranı da artmaktadır.

Termal radyasyonla dielektrik ısıtma arasındaki temel fark termal radyasyon bölgesindeki elektromanyetik dalgaların dalga boyu materyal içerisine nüfus edemeyecek kadar küçüktür. Bu nedenle termal radyasyon ile ancak gıda yüzeyi ısıtılabilir. Isının iç bölgelere iletilmesi gıdanın termal iletkenliğine bağlıdır. Ancak dielektrik ısıtma bölgesindeki mikrodalgalar ve radyo dalgaları gıda içerisine, frekansına bağlı olarak belli bir miktar nüfuz etmekte ve elektromanyetik enerji gıda içerisinde ısı enerjisine dönüşmektedir. Yine termal radyasyon ile transfer edilebilecek ısı miktarı cisimler arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Dielektrik ısıtmada ise cisimler arasındaki sıcaklık önemli değildir.

Mikrodalga Dalganın Üretilmesi

Geleneksel ısıtma metotlarında ısı, gıda maddesine kondüksiyon ve konveksiyon ile transfer olur. Tersine mikrodalga ısıtmada enerji direkt olarak gıda maddesinin içine girer. Mikrodalga ısıtmada malzeme içindeki moleküllerin titreşmesi sonucu meydana gelen ısı sonucu geleneksel ısıtmaya göre daha hızlı bir ısı artışı gözlenmektedir. Mikrodalga fırının ısıtma etkisi aynı süre içinde elektrikli ısıtıcıya göre daha fazladır[2].

Mikrodalgalar magnetron veya klystron gibi özel elektron tüplerinde elektrik enerjisi belli bir dalga boyundaki elektromanyetik radyasyona dönüştürülerek elde edilmektedir. Mikrodalgaları üreten sistemlerde elektromanyetik enerjiye dönüşen elektrik enerjisi gıdalar tarafından emilerek iç enerjiye dönüşmektedir.

Mikrodalgalar elektronik devrelerde elektronların hızlandırılmaları ile elde edilir. Yüksek güçteki mikrodalgalar vakum tüpleri ile üretilmektedir. Elektronik devrelerde, elektrik enerjisinin elektromanyetik yayılmaya dönüşüm veriminin yüksek olması ve bu devrelerin kolay kontrol edilebilmesi nedeniyle, mikrodalga ısıtma uygulamalarında magnetron veya klystron sürekli mikrodalga üreticisi olarak kullanılırlar.

Mikrodalgalar temas ettikleri madde ile etkileşime girerler. Örneğin, absorbe edilir, yansıtılır veya hiçbir değişikliğe uğramadan yollarına devam ederler. Mikrodalgalar gıda maddeleri tarafından absorbe edildiği zaman mikrodalga ışının pozitif ve negatif merkezlerinin yön değiştirmelerine paralel olarak, üründe bulunan polar moleküller yön değiştirirler. Saniyede milyonlarca kez oluşan bu hareket sonucu moleküler sürtünme ısısı açığa çıkar ve madde ısınır. Yani mikrodalga enerjinin ısı enerjisine dönüşümü bu dalgaların bazı mikroskobik emme sistemleri tarafından emilmesi ve daha sonra emici madde moleküllerinin ısı titreşimlerine değişimi şeklindedir[2].

Mikrodalga ve Radyo Dalgalarının Isıtma Mekanizmaları
Radyo ve mikrodalga frekanslarındaki elektromanyetik dalganın etkisi elektromanyetik dalganın elektrik alanı bileşeni ile gıdaların kimyasal bileşenlerinin etkileşimi sonucu ortaya çıkmaktadır[1].

Dipol Dönmesi
Gıdalar basta su olmak üzere çeşitli polar moleküller içermektedir. Bu moleküller gıda içerisinde gelişigüzel bir şekilde bulunurlar. Elektrik alanı uygulandığında gıda içerisindeki elektriksel olarak asimetrik ve polar moleküller frekansa bağlı olarak polaritesi hızla değişen elektrik alanı nedeniyle dönme eğilimi (dipol dönmesi) göstermektedir. Örneğin 2450 MHz de çalışan ev tipi mikrodalga fırınlar da elektrik alanın yönü saniyede 2.45 milyar kez değişmektedir. Hızla değişen elektrik alanının polaritesine uyum sağlamak için dönen polar moleküllerin, birbirleri ile ve ortamdaki diğer moleküllerle sürtünmelerinden dolayı ısı açığa çıkmaktadır.

Şekil-2: Malzemenin mikrodalga ile etkileşimi


Pozitif yükler kısmi olarak hidrojen atomları ve negatif yükler de kısmi olarak oksijen atomu üzerinde toplandığı için su molekülü polar bir moleküldür. Su bu özelliği sayesinde elektriksel enerjiyi pek çok molekülden daha iyi absorbe edebilmektedir

İyonik Polarizasyon
Ayrıca gıda içerisinde ki çözülmüş tuzların iyonik bileşenleri, üzerlerindeki elektriksel yük nedeniyle uygulanan elektrik alanının polaritesine zıt istikamette hızlanarak hareket etmeye başlamaktadır. İyonların birbirleriyle çarpışması hareket eden iyonların kinetik enerjilerinin termal enerjiye dönüşmesine neden olmaktadır .

 

Magnetrons

by Chris Woodford. Last updated: August 12, 2015.

Want to cook a dinner in five minutes or make an airplane safer to fly in bad weather? You'll be needing some microwaves, then. Those are the invisible, super-energetic, short-wavelength radio waves that travel at the speed of light, doing the important stuff in microwave ovens and radar-navigation equipment. Making microwaves is easy if you have the right equipment—a handy gadget called a magnetron. What is it and how does it work? Let's take a closer look!

Photo: The CV64 cavity magnetron, developed in Birmingham in 1942, was small enough to fit inside an airplane. Devices like this made it possible for planes to use radar defenses for the first time. An exhibit at Think Tank (the science museum in Birmingham, England). Sorry about the slightly poor quality of the image: the exhibit is inside a glass case and hard to photograph.
 

How does a magnetron work?

 

 

Magnetrons are horribly complicated. No, really—they're horribly complicated! To understand how they work, I find it helps to compare them to two other things that work in similar ways: an old-style TV set and a flute.
A magnetron has quite a lot in common with a cathode-ray (electron) tube, the sealed glass bulb that makes the picture in an old-style television set. The tube is the heart of a TV: it makes the picture you can see by firing beams of electrons at a screen covered in chemicals called phosphors so they glow and give off dots of light. You can read all about that in our main article on television, but here (briefly) is what's happening. Inside the TV, there's a negatively charged electrical terminal called a cathode that's heated to a high temperature so electrons "boil" off it. They accelerate down the glass tube, attracted by a positively charged terminal or anode and reach such high speeds that they race past and crash into the phosphor screen at the tube's end. But a magnetron doesn't have the same purpose in life as a TV. Instead of making a picture, it's designed to generate microwaves—and it does that a little bit like a flute. A flute is an open pipe filled with air. Blow across the top in just the right way and you make it vibrate at a specific musical pitch (called its resonant frequency), generating a sound you can hear that corresponds directly to the length of the pipe.

A magnetron's job is to generate fairly short radio waves. If you could see them, you could easily measure them with a school ruler. They're usually no shorter than about 1mm (0.04 in; the shortest division on a metric ruler) and no longer than about 30cm (12in; the length of a typical school ruler). The magnetron does its stuff by resonating like a flute when you pump electrical energy into it. But, unlike a flute, it produces electromagnetic waves instead of sound waves so you can't hear the resonant energy its making. (You can't see that energy either, because your eyes aren't sensitive to short-wavelength, microwave radiation).
Artwork: Right: One of the drawings of the high-energy magnetron developed in the 1940s by Percy Spencer, who went on to perfect the microwave oven while working at Raytheon. (I've colored it in to match my own artwork below.) You can see a bigger version of this drawing and read the full technical details via Google Patents. Artwork courtesy of US Patent and Trademark Office.
 

How does a magnetron make microwaves?

 

How does a magnetron resonate? It works a bit like a TV set:

1. There's a heated cathode (a solid metal rod) at the center of the magnetron. Here it's colored orange.
2. A ring-shaped anode surrounds the cathode (colored red).
3. If you switched on a simple magnetron like this, electrons would boil off from the cathode and zip across to the anode in straight lines (shown by the black arrow) much like the electron beam in a TV set. But there are two added extra bits in a magnetron that change things completely.
4. First, the anode has holes or slots cut into it called cavities or resonant cavities. Second, a powerful magnet is placed underneath the anode to generate a magnetic field along the length of the tube (parallel to the cathode and, in this diagram, going directly into the computer screen away from you).
5. Now when the electrons try to zip from cathode to anode, they are traveling through an electric field (stretching between the anode and cathode) and a magnetic field (produced by the magnet) at the same time. So, like any electrically charged particles moving in a magnetic field, they feel a force and follow a curved path (blue circle) instead of a straight one, whizzing around the space between the anode and the cathode.
6. As the electrons nip past the cavities, the cavities resonate and emit microwave radiation. Think of the electrons passing energy to the cavities, making then resonate like someone blowing on the open end of a flute—only producing microwaves instead of sound waves.
7. The microwave radiation that the cavities produce is collected up and channeled by a kind of funnel called a waveguide, either into the cooking compartment of a microwave oven or beamed out into the air by an antenna or satellite dish in radar equipment.

In reality, it's all a bit more complicated than that—of course. But think of a TV set and a flute sort of merged together to produce microwaves instead of flute sounds or TV pictures and you'll get the basic idea!

 

Abrief history of magnetrons

 

• 1920s: American engineer Albert W. Hull invents the first magnetron while working for General Electric.
• 1934: Arthur L. Samuel of Bell Telephone Laboratories invents the cavity magnetron.
• 1939: Two physicists, John Randall and Harry Boot, working at the University of Birmingham, England develop a much more powerful magnetron that is compact enough to fit into ships, planes, and submarines.
• 1940s: American engineer Percy Spencer accidentally discovers that microwaves produced by a magnetron have enough power to heat and cook food. He patents the microwave oven in the 1950s.

Technical support to the Oven manufacture

We are offering synthetic technical support, such as design evaluation, performance improvement evaluation, etc. of a microwave oven, based on abundant experience and technology.

   

 

Although microwave ovens today have advanced since the very first designs, at their core they still use the same cavity magnetron tube  harnessed so effectively for WWII radar.

How a microwave oven works

The microwave oven is quite a feat of physics and engineering. At its core, the oven exploits the polarity of water molecules which tend to rotate themselves into alignment with their positive ends in the direction of an electric field. With each rotation the water molecule’s electrostatic potential energy is transferred into thermal energy. An analogy would be a very crowded room, when everyone is told to turn and face the stage. In doing so, people brush up against one another as they turn and friction causes the conversion of some of their energy into thermal energy. The magnetron reverses its electric field very fast, so water molecules flip back and forth at a rate of billions of times per second.

 

This heat is what actually cooks food in the oven. Because all particles in the food are vibrating and generating heat at the same time, food cooked in the microwave cooks much more swiftly than food cooked in a conventional oven where heat must slowly travel from the outside surface of the food inward. The same radio waves that cook your food pass harmlessly through plastics, glass, and ceramics. It is this characteristic that keeps plastic plates from melting and glasses from exploding. It is also this feature of microwaves that makes them so energy efficient; they heat only the food and nothing more.

As you might have learned from experience (ouch!), metals reflect microwaves which is why they line the walls of the microwave such that no waves escape and cook anyone in the kitchen!

Source: Scientific American

How Things Work

Background knowledge: The microwaves in the oven have frequencies of around 2450 MHz (1M = 1 million = 1,000,000 = 106). Recall that visible light has much higher frequencies which range from 430,000,000 MHz for red to 750,000,000 MHz for violet. There are many types of electromagnetic waves categorized by their frequencies (or wavelengths, since they are closely related. In general, longer is the wavelength, shorter is the frequency). For your reference, different types of electromagnetic waves are listed in the following figure. The microwaves that we are using in the oven are around 10 cm in wavelength.     Mechanism: A microwave oven [A] cooks rapidly by using high-frequency electromagnetic waves (microwaves) to agitate molecules within food. Inside the oven, transformers produce a voltage high enough to supply a magnetron [B] - a type of cathode ray tube (electron emission tube) that can generate microwaves. The coiled central filament of the magnetron (i.e. the cathode) emits electrons. Magnetic and electric fields within the magnetron make the free electrons bunch up into a "packet" and move quickly around a circular path, passing by a series of metal plates. As the electron packet nears a plate, it induces in it an opposite (positive) charge, and a negative charge is produced in its neighbors. Because the electron packet moves rapidly, the charge on each plate oscillates between positive and negative billions of times per second. A short antenna connected to one of the plates converts this oscillation of electrons into microwaves with a frequency of 2450 MHz. The waves are "guided" by a hollow metal tube to a series of rotating metal paddles, which spread the radiation evenly over the food.   The microwaves - which can be thought of as oscillating electric fields - then penetrate the food. Water molecules in the food [C] have a slight positive charge at one end and a negative charge at the other. Exposed to microwaves, they flip over billions of times a second to realign themselves with the oscillating electric field. This movement generates heat, which cooks the food.

Fundamental Function of the Magnetron

From the book "Microwave Oven Repair," by Homer Davidson

In a microwave oven, the magnetron tube generates the microwaves.  They are transmitted to the oven cavity, reflected by the sides of the oven area, and then absorbed within the food that is in the oven cavity.

The magnetron's cathode is located in the center of the magnetron and is a filament that boils off electrons when it is hot.  The cathode is connected to the negative side of the power supply, which has a potential of approximately 4,000 volts with respect to the anode, which is connected to the positive side.  The 4,000 volts potential is produced by mean of the high-voltage transformer and doubler action of the capacitor and diode.

The electrons are negative charges, which means they are strongly repelled by the negative cathode and attracted to the positive anode.  The electrons would travel straight from the cathode to the anode if the 4,000 volts potential were the only force acting in the magnetron (Figure 1).  However, the magnetron is a type of diode with a magnetic field applied axially in the space between the cathode and anode by means of two permanent magnets (Figure 2).

Figure 1 - The electrons travel from cathode to anode.

Figure 2 - The two permanent magnets are found between cathode and anode.

If a magnetic field of sufficient strength is applied between the cathode and the anode, an electron would travel in a path almost at right angles to its previous direction, resulting in a circular motion of travel to the anode (Figure 3).  Eventually, it would reach the anode.

Figure 3 - The electrons travel in a circular motion to the anode.

This circular motion by the electrons induces alternating current in the cavities of the anode.  When an electron is approaching one of the segments between the two cavities, it induces a positive charge in the segment (Figure 4).  As the electron goes past and draws away, the positive charge is reduced, while the electron is inducing a positive charge in the next segment.  This inducing of alternate currents in the anode cavities can be thought of as a lumping together of the resonant circuits (Figure 5).

Figure 4 - When the electron approaches one of the segments between two cavities, it induces a positive charge.

Figure 5 - Lumping the resonant circuits.

In the actual operation of the magnetron, the electrons crowd together as they go around and, influenced by the forces of high-voltage and the strong magnetic field, form a spoke-wheel pattern (Figure 6).  This crowd of electrons, which has much stronger energy than a single electron, revolves around the anode and eventually reaches the cavities, resulting in the continuous oscillation of the resonant circuits.  The high-frequency energy, produced in the resonant circuit (cavities), is then taken out by the antenna and fed into the oven cavity through the waveguide (Figure 7).

Figure 6 - The strong magnetic field from a spoked-wheel pattern.

Figure 7 - The magnetron tube found in all microwave ovens.

High-Voltage Circuits

In most of the microwave ovens, the high-voltage is generated by the action of the diode and the charging of the high-voltage capacitor.  This circuit is called a half-wave voltage doubler circuit.  This circuit is commonly used because it is economical as a smaller transformer and capacitor can be used to produce the high-voltage.

The typical half-wave voltage doubler circuit with the capacitor and diode are connected in the high-voltage transformer secondary (Figure 10).  Generated from the filament winding on the high-voltage transformer, 3.3 VAC is applied to the magnetron filament through noise suppression chokes and capacitors.  Two chokes and capacitors, enclosed within the magnetron shielded case, prevent microwaves from affecting radios and television sets.

The AC voltage of approximately 2,000 volts or more (depending on the output power of the microwave oven) is generated from the secondary winding of the high-voltage transformer.  The capacitor charges through the diode during the first positive cycle of the AC from the transformer (Figure 8).  The charge path of the capacitor is shown by the dashed lines.  During the capacitor charging time, the magnetron is off because the diode shunts it.  The capacitor charges to approximately 2,000 volts or more.

Figure 8 - The capacitor charges through the diode during the first positive cycle.

During the negative half-cycle, the voltage on the capacitor and the voltage across the transformer secondary winding are combined and applied across the magnetron's anode, shown by the solid lines (Figure 9).  The resultant potential of approximately 4,000 volts is used to oscillate the microwaves from the magnetron.  Notice that the magnetron is pulsed on and off at a rate of 60/50 Hz, depending on the line rate used.

Figure 9 - During the negative half-cycle, the voltage on the capacitor and the voltage on the transformer secondary winding are applied across the magnetron.

Figure 10 - The large power supply transformer supplies high-voltage to the voltage doubler circuit and low-voltage to the filament on the magnetron.

microwave radiation

 
Electromagnetic radiation with wavelengths between 30 centimeter and 1 millimeter, corresponding to frequencies between 1,000 MHz and 300,000 MHz (1GHz to 300 GHz). Microwaves occupy that portion of the electromagnetic spectrum between short-wave radio waves and infrared radiation.

Microwaves are used today for such purposes as radar, radio and television broadcasting, cellular telephones, and microwave heating (see below).

     
Microwave heating
A microwave oven (see diagram) exploits the presence of water in food to cook things from the inside. A microwave oven generates microwaves in a magnetron (1). When the microwaves penetrate the food, they cause water molecules (2), which have a positive side and a negative side, to rotate (3) generating heat through friction with the food. The oven is heavily insulated (4) to prevent leakage of microwaves. A rotating plate (5) and paddles (6), which ensure an even distribution of microwaves and that the food cooks evenly. To dissipate the hot air, generated by cooking and by the magnetron, a fan (7) pushes cold air around the oven.
 

Abb. 1 Mikrowellenofen

(1) Deckplatte, (2) Reflektorflügel, (3) Hohlleiter, (4) Magnetron, (5) Koppelstift, (6) Bodenplatte, (7) Gehäuse, (8) Garraum, (9) Elektronik, (10) Kühlgebläse

 

   

Magnetron

 

 

   

 

  

Çoğu kimseler tarafından  pek güvenilmemesi ile birlikte sağlıksız ve tehlikeli olarak görülen bu cihazları oluşturan parçalara bakacak olursak bunlar pişirme bölümü, kontrol paneli, dalga kılavuzu, döner tabla, dönüştürücü, kondansatör ve magnetrondur. Kontrol paneli elektrik akımının dönüştürücüye iletilmesini sağlar. Dönüştürücü ve kondansatör elektriği şarj ederek magnetrona gönderir. Magnetron kondansatör ve dönüştürücü tarafından üretilen 4000 volt elektriği alır ve elektromanyetik pişirme enerjisine dönüştürür. Bunlara da mikrodalgalar adı verilir. Mikrodalga fırın bu özellikleriyle can bulur mutfaklarda.

İçinde boş bölümleri olan bir vakumlu tüp olarak gösterebileceğimiz magnetronun her iki ucunda da boş birer tüp vardır. Elektrik akımı magnetrona gelir. Mıknatıslar manyetik bir alan oluşturur. Akım bakır tellerden geçerek elektron ışınlarına dönüşür. Bu ışınlar manyetik alanda dairesel bir yol alır ve tüpün bölme duvarlarına çarparak geri dönerler. Bu döngü inanılmaz büyük bir hızla gerçekleşir. Bu derece yüksek hıza ulaşan elektrik akımları mikrodalgalar üretmeye başlarlar. Magnetronun içine yerleştirilen bir anten mikrodalgaları dalga kılavuzuna gönderir. Dalga kılavuzunun görevi mikrodalgaları pişirme bölümüne dağıtmaktır. Bu bölümü oluşturan metal malzeme bir ayna gibi yansıtır. Dönen tabla sayesinde bu dalgalar yiyeceğin her alanına ulaşır. Yüksek hızda titreşen dalgalar su moleküllerinin birbirine sürtmesine sebep olur. Bu sayede açığa çıkan ısı enerjileri de yiyeceğin pişmesini sağlar. İçinde daha çok su molekülü bulunan yiyecekler daha hızlı pişerler.

 

 

 

Mikrodalga fırın nasıl çalışır?

Mikrodalga fırınlar elektrik ve manyetik alanların birleşimi ile ortaya çıkan ve boşlukta hareket edebilen enerjiyi içeren elektromanyetik dalga boyuna ait araçlardır. 1970’lerden sonra mutfaklarda yer almaya başlayan bu teknoloji cihazlar, günümüzde vakit darlığı sorunu ve beslenme ihtiyaçları için çok önemli bir cihaz halini almıştır. Fazla yer kaplamayan hatta ankastre modüller sayesinde neredeyse bir dekor halini alan mikrodalga fırınlar kompakt birer ev eşyası olarak bile düşünülebilir.

Mikrodalga fırın çalışma prensibi açısından bakıldığında; spektrum genelde dalgaların farklı dalga boyları (frekans) ve emisyon, transmisyon davranışlarına göre alt başlıklara ayrılmıştır. En uzundan en kısa spektrum elektrik ve radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi ışınım, görünür ışın, morötesi ışınım, X ışınları, gamma ışınları ve elektromanyetik kozmik ışınları kapsar. Mikrodalga frekansları yaklaşık olarak 0.3 ile 30 cm arasındadır.

Mikrodalgalar kendine özgü özellikleri sayesinde yemek pişirme de kullanım imkanı sağlayan teknoloji ürünleridir. Mikrodalga fırın işleyişinin temel öğesi olan elektromanyetik dalgalar, plastikten, camdan ve kağıt maddelerden geçebilirler; metallerden yansır ve gıdalar (özellikle sıvılar) tarafından emilirler. Geleneksel fırına konan yemek, etrafında ısınan havayı emerek yavaşça ısınır. Mikrodalgalar, öte taraftan, yiyeceği çok daha çabuk ısıtırlar çünkü bütün katmanlara aynı anda nüfuz ederler. Herhangi bir yiyecekteki ya da bir kaptaki sıvı moleküllerini hareketlendirerek ısıtırlar. Mikrodalga fırın satışlarında Arçelik, Türkiye’nin en çok tercih edilen mikrodalga fırın üreticilerinden biri olarak dikkat çekmektedir.
 

Mikrodalga fırını (MD), yiyeceği ısıtmak için mikrodalgaları, yani radyo dalgalarını kullanan bir fırın çeşididir.

Tarihçe

Mikrodalgalarla pişirme fikri ilk kez Percy Spencer tarafından, radar olarak kullanılması planlanan "magnetron"un keşfedilmesiyle 1945'li yıllarda başlamıştır. 1947'de bu buluşunun patentini almış ve ilk mikrodalga fırını 1,8 metre boyunda ve 340 kg. ağırlığında olarak tasarlamıştır.

İlk mikrodalga fırınlar 1950'li yıllarda kulanılmaya başlamış olup günümüzde Amerika'da yaklaşık olarak 80 milyon mikrodalga fırının olduğu tahmin edilmektedir. Bu sayının yarısı son yıllardaki satışlara aittir.

Çalışma prensibi

Mikrodalgalar, elektromanyetik spektrumun radyo dalgaları ile kızıl ötesi ışınlar arasındaki bölümde kalırlar. Frekansları 1 GHz ila 1000 GHz arasında, dalga boyları 0.1-100 cm. olan elektromanyetik dalgalardır.
Dalgaların frekansları ile dalga boyu arasında; yüksek frekanslı dalgaların kısa dalga boyu, alçak frekanslı dalgaların ise uzun dalga boyu yayması ilişkisi ya da tam tersi durum vardır. Normal fırınların kapağında bulunan küçük delikler, ışık dalgalarının geçmesine izin verirler ve bu nedenle fırının içi görülürdür. Çünkü ışığın dalga frekansı oldukça yüksek, dalga boyu da çok küçüktür, mikrodalga fırınların ise frekansı düşük ve dalga boyları daha uzundur. Bu yüksek dalga boyundaki dalgalar kapaktaki deliklerden geçemez ve ve tekrar içeri yansırlar.

Mikrodalga fırınlarda genellikle 2,5-3 GHz'lık frekanslar kullanılır. Bu frekansta çalışan bir fırının içerisine konan maddenin molekülleri saniyede 2,5-3 milyar kez titreşir. Bu titreşim sayesinde de maddenin molekülleri ısınır dolayısıyla maddenin kendisi ısınır ve pişer.

Mikrodalga, bu özel fırınların içindeki "magnetron" adı verilen vakum tüpünden üretilir. Magnetron, 60 Hz'lik elekrik enerjisini "mikrodalgalar"a dönüştürür, mikrodalga fırın bu şekilde çalışmaya başlar.

Özellikleri

Bu frekanstaki dalgalar, başlıca su olmak üzere bazı maddeler tarafından emilirler, dalgalar, bu maddelerin moleküllerini atomik devinime uğratarak mikrodalga enerjiyi ısıya dönüştürürler. Bu nedenle içinde daha çok su molekülü taşıyan besinler daha hızlı pişer.
Bu mikrodalgaların özellikleri şöyle sıralanabilir;

Su, şeker ve yağlar tarafından emilir,
Emildiği ilk anda atomik ısıya dönüşür,
Çoğu plastik, cam ve porselen tarafından emilmez,

Mikrodalga ile pişirme, geleneksel pişirme yöntemlerinden hem daha hızlıdır hem de pişirme sürecinde yalnızca besin pişer, fırın ve ortam ısınmaz.

Mikrodalgaların enerjileri, besin içinde ısıya dönüştüğü için, besin içinde bir radyasyon oluşması vb. bir durum genellikle söz konusu değildir.

 

Başka bir kaynak bilgisi...  

Mikrodalgalarla pişirme fikri ilk kez Percy Spencer tarafından, radar olarak kullanılması planlanan "magnetron"un keşfedilmesiyle 1945'li yıllarda başlamıştır. Percy Spencer, radar dalgaları ile deney yaparken cebindeki çikolatanın erimesi ile mikrodalga enerjisinin yiyecekleri ısıtabildiğini keşfetti. 1947'de bu buluşunun patentini almış ve ilk mikrodalga fırını 1,8 metre boyunda ve 340 kg ağırlığında olarak tasarlamıştır. Mikrodalga fırın, 1947'de mutfak eşyaları üreticisi olan Raytheon şirketince "Radarange" adıyla kamuoyuna duyurulmuş olsa da, gerek fiyatının çok yüksek oluşu gerekse büyükçe bir buzdolabı boyutlarında olması nedeniyle ticari olarak pek ilgi görmedi.

Evlerde kullanılan ilk mikrodalga fırınlar, 25 Ekim 1955'te Tappan şirketi tarafından satışa çıkarılmış olup günümüzde ABD'de yaklaşık olarak 80 milyon mikrodalga fırının olduğu tahmin edilmektedir. Bu sayının yarısı son yıllardaki satışlara aittir.


Mikrodalga fırınlar yiyecekleri mikrodalga adı verdiğimiz elektromanyetik dalgalarla ısıtıyor
.
Peki ama mikrodalga fırın nasıl çalışır?
Mikrodalga fırının temel parçalarını sıralayalım.

Metalden yapılmış pişirme bölümü, (neden metalden yapıldığını ve mikrodalga fırınlarına neden metal bir cisim koyulmasının tehlikeli olduğunu açıklayacağız) kontrol paneli, dalga klavuzu, döner tabla, dönüştürücü, kondansatör ve mikrodalga fırının kalbi magnetron.

Kontrol paneli elektrik akımının dönüştürücüye iletilmesini sağlar. Dönüştürücü ve kondansatör elektriği şarj ederek magnetrona gönderir. Magnetron, kondansatör ve dönüştürücü tarafından üretilen 4000 volt elektiriği alır ve elektromanyetik pişirme enerjisine dönüştürür yani mikrodalgalara.

Magnetronu daha yakından inceleyelim. Magnetron her iki ucunda da mıknatıs olan boş bir tüp. Elektrik akımı magnetrona gelir. Mıknatıslar manyetik bir alan oluşturur. Akım bakır tellerden geçerek elektron ışınlarına dönüşür. Işınlar manyetik alanda dairesel bir yol alır ve tüpün bölme duvarlarına çarparak geri dönerler. Bu döngü çok hızlı olur. Saniyede 5 milyar kez titreşecek kadar hızlı. Elektrik akımı bu kadar hızlı bir şekilde çarpıp geri döndüğünde mikro dalga üretir.
Magnetronun içine yerleştirilmiş bir anten mikro dalgaları dalga kılavuzuna gönderir. Dalga kılavuzunun görevi mikrodalgaları pişirme bölümüne dağıtmaktır.
Dalga kılavuzu metalden yapılmıştır. Metal mikrodalgaları bir ayna gibi yansıtır. Dönen tabla sayesinde mikrodalgalar pişirmek istediğimiz yiyeceklerin her yanına ulaşır. Yüksek hızla titreşen dalgalar su moleküllerinin birbirine sürtünmesine sebep olur. Böylece ısı enerjisi açığa çıkar ve ısıyla da yiyecek ısınmış olur. İçinde daha fazla su molekülü olan yiyecekler daha hızlı ısınır.
 

 

Mikrodalga Metaller tarafından yansıtılırlar. Mikrodalga fırınlarına metal malzemeler koyulmamasının nedeni de bundan kaynaklanmaktadır.

Mikrodalga fırınlarda 2,45 GHz’lik bir frekans kullanılır. Bu frekansın kullanılmasının önemli bir sebebi vardır. 2.54 Ghz, su moleküllerinin rezonans frekansıdır. Bunun sonucu olarak 2.54 Ghz'lik mikrodalga ışıma en çok su tarafından emilecektir. Çoğu yiyecek de su içerdiğinden ısınacak, mikrodalga fırına uygun tabaklar ise su içermediğinden ısınmayacaktır.

Mikrodalga fırınlar normal fırınlara oranla çok daha az enerji harcamaktadırlar. Örneğin elektrikli bir fırın 1000-2000 Watt’lık elektrik gücü tüketirken, mikrodalga fırınlar yalnızca 300-500 Watt’lık bir güçle çalışırlar. Mikrodalga fırnın az enerji harcamasının sebebi, kullanılan neredeyse tüm enerjinin ısıtılacak nesnede absorbe edilmesidir. Elektrikli fırında ise fırının içi ve yiyeceğin konduğu kap da gerekmediği halde ısıtıldığından gereksiz enerji harcanır.

  

 

How does a microwave turn electricity into heat? Like this!

1- Inside the strong metal box, there is a microwave generator called a magnetron. When you start cooking, the magnetron takes electricity from the power outlet and converts it into high-powered, 12cm (4.7 inch) radio waves.
2- The magnetron blasts these waves into the food compartment through a channel called a wave guide.
3- The food sits on a turntable, spinning slowly round so the microwaves cook it evenly.
4- The microwaves bounce back and forth off the reflective metal walls of the food compartment, just like light bounces off a mirror. When the microwaves reach the food itself, they don't simply bounce off. Just as radio waves can pass straight through the walls of your house, so microwaves penetrate inside the food. As they travel through it, they make the molecules inside it vibrate more quickly.
5- Vibrating molecules have heat so, the faster the molecules vibrate, the hotter the food becomes. Thus the microwaves pass their energy onto the molecules in the food, rapidly heating it up.