磁控管的工作原理

　　第二次世界大战是人类科技的井喷期，比如我们今天要讲的磁控管，就是一个最典型的例子。磁控管是一种用来产生微波能的电子元件，最初运用是在军用雷达，上面，你用最具代表性的就是微波炉。下面，我们就来仔细探讨一下磁控管背后经典的物理原理。在这之前，我们必须先了解另一个物理概念，lc震荡，如图所示，当电感器和电容器组成一个谐振电路时，lc震荡就会发生，也就是电子的移动方向来回改变。与之对应的，则是磁场方向的改变，此时，如果我们把一个带有电感的天线放在附近时，天线就会发出电磁波，注意，这是磁控管的底层逻辑，后面要用到，然而，这种震荡和电磁波持续不了多久。他们会以辐射的形式慢慢消失，到了这一步，我们只需要想办法，尽可能地把它们困住，就可以运用到实际生活中了。 　　这是一个简单的结构，包含一个阴极以及灯丝，如果我们给它通上电流，灯丝就会慢慢发热。此时，少许电子就会从顶部逃逸出来，这种现象被称为热电子发射效应，这些逃逸出来的电子已经消耗了绝大部分能量，所以他们很快又会回到阴极，为了解决这个问题。科学家在其周围放置了一个带正电荷的阳极，就是这个空心圆柱体，此时逃逸出来的电子就会加速冲向阳极。根据辐射理论，电荷在加速时会发出电磁波。然而，这种配置电子产生的辐射效率非常低，因为它到达阳极的时间太短了，换言之，就是电子到达阳极辐射就会慢慢停止，我们得想办法延长这个时间。怎么办呢？科学家在垂直方向引入了两块永磁铁，在磁场的作用下，逃逸出来的电子的移动路径就会发生弯曲延长，如此一来，他们到达阳极的时间也就增加了。如果磁场足够强大，理论上电子根本无法到达阳极。 　　这种结构也是磁控管的雏形，赫尔茨控管由英国物理学家赫尔于一百年前提出，为了进一步提高电子辐射电磁波的效率，我们可以借助视频开头讲的lc震荡，怎么搞呢？脑洞大开的科学家把原先的阳机结构重新设计了一番，就像这样，原本的平滑变成了像这样的多腔结构。正是因为这个设计磁控管的物理特性，发生了翻天覆地的变化。为了更好地理解其中的原理，我们先来看一个小例子，如图所示，这是一根带有空腔结构的金属棒，此时，一个负电荷沿着金属表面移动，在移动的过程中。金属内部的电子会受到外面负电荷的排斥，就像这样，然而，到负电荷靠近空腔时，空腔左边的电子会被驱赶至另一侧，从而导致右边负电荷的聚集，而原本的位置则会带上正电荷。如此一来，这种空腔就会形成类似于电容器的结构，此时，如果我们给这个空腔接上一个电感器，附近的电荷，就会开始发生震荡，也就是视频开头讲的lc震荡怎么样，你就说，科学家，牛不牛？ 　　好了，回到磁控管，现在我们还是单独拿一个电子举例，当他从阴极逃逸出来，来到空腔表面后，就会在这里感应出正电荷以及负电荷。由于空腔的排列方式为原形阵列。所以不可能出现只有一个空腔带电荷的情况，为了使金属中的电场为零，所有的空腔只能以相反的极性互相配对。就像这样，除此之外，空腔的曲面结构相当于我们前面讲的电感器。如此一来，lc震荡就会由此产生，此时，我们再把带有电感器的天线加进来，震荡就会转化成电磁波，由于阴极，电子不断逃逸至阳极，所以这种震荡也会持续存在。 　　刚才讲的是单的电子，现在我们再来看看剩下的电子会干嘛？由于第一个电子已经在空腔感应出了正负电荷，所以从阴极逃逸出来的其他电子，会毫不犹豫地奔向带正电荷的区域。并最终形成这种美到窒息的图案，然而，第一个电子已经在这里形成了lc震荡，所以这些空腔的极性并不是固定的。如此一来，这个美丽的图案又会开始进化，像这样旋转起来，不知道你们还记不记得？之前讲无刷电机举的一个例子，在这种情况下，小绿为了吃到胡萝卜，他就会永不停歇跑下去。此控管中，这个图案也是这个道理。说了这么多，这个家伙是怎么运用到雷达的呢？说简单点，磁控管在短波下能发射高功率脉冲，科学家利用这个特点，就能很容易探测到很小尺寸的目标。