磁流体发电机的应用

刘文震

(陕西省西安市育才中学，陕西　西安　710061)

磁流体发电机的应用

刘文震

(陕西省西安市育才中学，陕西西安710061)

摘要：磁流体发电机模型是高中物理中和科技、生活联系非常紧密的一个重要应用，本文对磁流体发电机模型的力学特点、电路特点、能量转化特点等进行深入分析，利用典型考题,使学生加深对磁流体发电机的理解。

关键词：磁流体发电机；分析 ；应用

高中物理课程应体现物理学与文化、经济和社会发展的时代要求，磁流体发电机模型正是近几年高考试题中体现这一理念的具体实例，这类试题物理内涵丰富，情景新颖，综合性强，信息量大，能力要求较高，但是解决问题的方法仍是中学常见的基本方法，是我们在日常教学中非常好的素材.

1磁流体发电机的基本结构和原理

磁流体发电机，又叫等离子体发电机，是一种将等离子体的内能直接转化为电能的装置，具有启动快、发电效率高和对环境污染小的独特优点.

(1)基本结构

燃烧室——在3000K的高温，将燃料燃烧产生的气体全部电离为电子和正离子，即高温等离子体.

发电通道——高温等离子体经喷管提速后，以约1000m/s进入发电通道，然后发生偏转，在两极形成电势差.

电磁体——由铁芯和超导线圈组成，在发电通道形成与高温、高速等离子体垂直的匀强磁场，磁感应强度要达到5～8T.

(2)发电原理

电子和正离子在洛仑兹力的作用下，分别向两极运动，使两极聚积正负电荷，形成不断增加的电势差，从而使电子和正离子不仅受到洛仑兹力的作用，还受到与洛仑兹力方向相反的电场力的作用.当洛仑兹力与电场力平衡时，电子和正离子开始做匀速直线运动，不再偏转，两极板的电势差达到最大值，即为电源电动势E=Umax，正、负离子分别聚积的电极即为电源的正、负极(如图1).

图1

(3)电动势的计算

方法一：设两极板的间距为d，根据平衡条件，有Bqv=qE=qUmax/d，所以电动势为E=Umax=Bdv.

方法二：将磁流体等效为长为d的导体，以速度v垂直切割磁感线.根据感应电动势计算公式，有E=Blvsin90°，电动势的方向可以用右手定则判定，结果相同.

图2

(4)发电机内阻的计算

如图2所示，设发电通道沿电流方向的横截面积为S，等离子体的电阻率为ρ，则发电机的内阻可以表

(5)电流、电功率的计算

(6)电流受到的安培力的计算

(7)发电通道两端压强差的计算

2典型例题

例1(2006年北京)磁流体推进船的动力来源于电流与磁场间的相互作用.图3是在平静海面上某实验船的示意图，磁流体推进器由磁体、电极和矩形通道(简称通道)组成.如图4所示，通道尺寸a=2.0m、b=0.15m、c=0.10m.工作时，在通道内沿z轴正方向加B=8.0T的匀强磁场，沿x轴负方向加匀强电场，使两金属板间的电压U=99.6V，海水沿y轴方向流过通道.已知海水的电阻率ρ=0.20Ω·m.

图3

图4

(1)船静止时，求电源接通瞬间推进器对海水推力的大小和方向；

(2)船以5.0m/s的速度匀速前进.若以船为参照物，海水以5.0m/s的速率涌入进水口，由于通道的截面积小于进水口的截面积，在通道内海水速率增加到vd=8.0m/s.求此时两金属板间的感应电动势U感；

(3)船行驶时，通道中海水两侧的电压按U′=U-U感计算，海水受到电磁力的80%可以转化为对船的推力.当船以=5.0m/s的速度匀速前进时，求海水推力的功率.

(2)在船行驶时，海水以速度v1-v2流过通道，海水中的正、负粒子在电场力和洛伦兹力的作用下发生偏转，当F=fB时，正、负粒子不再偏转，两金属板的电势差达到最大值U感=Bbv2=9.6V.

例2(2014年福建)如图5所示,某一新型发电装置的发电管是横截面为矩形的水平管道,管道长为L，宽为d，高为h，上下两面是绝缘板，前后两侧面M、N与开关S和定值电阻R相连.整个管道置于磁感应强度大小为B，方向沿z轴正方向的匀强磁场中.管道内始终充满电阻率为ρ的导电液体(有大量正负离子，且开关闭合前后液体在管道进、出口两端压强差的作用下，均以恒定速率ν0沿x轴正向流动，液体所受摩擦阻力不变).

图5

(1)求开关闭合前，M、N两板间的电势差大小U0；

(2)求开关闭合前后，管道两端压强差的变化Δp；

(3)调整矩形管道的宽和高，但保持其他量和矩形管道的横截面积S=dh不变，求电阻R可获得的最大功率Pm及相应的宽高比d/h的值.

(2)设开关闭合前后，管道两端压强差分别为p1、p2，液体所受的摩擦阻力均为f，开关闭合后，管道内液体受到的安培力为F，有p1hd=f，p2hd=f+F，F=BId.

参考文献：

杨俊.求解磁流体发电机电动势的几种思路.物理之友，2014,30(5) .