磁流体技术探秘

叶军 黄彦焱

摘要：借助传统和数字化测量手段，尝试通过理论分析、实验研究等活动对磁流体密封技术、磁流体发电技术及磁流体推进技术进行探究，取得了较好的探究效果.

关键词：磁流体密封、磁流体发电、磁流体推进

作者简介：叶军（1982-），男，浙江富阳人，中学一级，研究生学历，研究方向：高中物理演示实验研究；

黄彦焱（1981-），女，浙江塘栖人，中学一级，本科学历，研究方向：信息技术教学.

1探究磁流体密封技术

11磁流体与磁流体密封装置

磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液[1]，是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒、基载液（也叫媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体（图1）它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是一种新型的功能材料该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值.

磁流体密封装置（图2）是由不导电磁座、轴承、磁极、永久磁铁、导磁轴、磁流体组成，在磁场的作用下，使磁流体充满环形空间，建立起一系列“O型密封圈”，从而达到密封的效果.

12自制简易磁流体密封装置

实验材料：L型木质底板、金属立柱、无烟蜡烛、可活动T型支架、大小玻璃管带胶塞、大小塑料管、强磁铁、乒乓球、磁流体.

实验原理：磁流体密封技术是在磁性流体的基础上发展而来的，当磁流体注进磁场的间隙时，它可以布满整个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”.

实验步骤：

（1）将实验材料组装制成磁简易流体密封装置.

（2）将磁流体滴入安插塑料管的环形强磁体表面形成缜密密封层（图3）.

（3）安插塑料管的环形强磁体穿入细玻璃管，并将细玻璃管安插在大玻璃管下方，塑料管的另一端固定在L型木质底板上.

（4）点燃蜡烛，观察实验现象（图4）.

实验结果讨论：

自制简易磁流体密封装置做往复运动，磁流体起了密封和润滑作用.

2探究磁流体发电技术[2-4]

21霍尔效应与磁流体发电简介

1879年，霍耳（EHHall）发现，将一导电板放在垂直于板面的磁场中（图5）， 当有电流通过时，在导电板的A和A′两侧会产生一个电势差U′AA，这种现象称为霍耳效应.

实验表明， 霍耳电压UAA′与电流强度I和磁感应强度B成正比，而与导电板的厚度d成反比，即

UAA'=kIBd

式中比例系数k称为霍耳系数霍耳效应是由于外加磁场使漂移运动的电子或载流子发生横向偏转而形成的，运动电荷在磁场中所受的力称为洛伦兹力.

磁流体发电是利用热离子气体（或液态金属）等导电流体与磁场相互作用，把热能直接转换成为电能的发电方式，它所依据的是等离子体的霍耳效应将工作气体加热到高温使其充分电离（这种气体称为等离子体），然后以很高的速率（约800米/秒）通过垂直磁场，等离子体中的正、负离子在洛伦兹力的作用下，分别偏转到达导管两侧的电极上，使两极之间产生一电势差，将两侧电极与外负载相接便可引出电流而获得电功率，只要等离子体连续通过磁场，便可以连续不断地输出电能（见图6）磁流体发电所用的工作气体通常是煤、天然气或石油等矿物燃料燃烧产生的高温气体为了使高温气体有足够的电导率，还需加入总量1%左右的易电离物质──“种子”， 一般为碳酸钾当采用裂变反应堆作热源时，工作气体大多是惰性气体（例如氦），并以铯作为种子物质.

由于磁流体发电可直接将热能转换为电能，这样就允许采用更高的入口温度（2000～3000K），提高了热效率，同时又免去了高温高速旋转运动的汽轮机装置磁流体发电本身的效率仅20%左右，但由于其排烟温度很高所排出的气体可供给辅助蒸汽发生器产生高温蒸汽，用它驱动汽轮发电机组，组成高效的联合循环发电系统，总的热效率可达50%～60%，是目前正在开发中的高效发电技术中最高的.

磁流体发电适用于低电压、大电流的直流电源由于其无运动部件，无需交流变直流的整流装置，起动快，可做大功率短时间特种电源、常规发电机的备用电源、核电站的紧急备用电源等，也可通过辅助装置将其转化为交流电后送入电网.

22探究霍尔效应

实验材料：HW101A贴片型霍尔传感器、洞洞板、导线、鳄鱼夹、干电池、电阻箱、毫伏表、数字式多用电表、强磁铁、铁架台带铁夹、刻度尺.

实验步骤：

（1）将实验材料组装制成霍尔效应定性研究装置（图7），实验电路如图8所示.

（2）保持通过霍尔传感器的电流不变（调节电阻箱值为100Ω），改变磁场（改变霍尔元件正上方强磁铁的块数），观察霍尔电压与磁感应强度的定性关系（见表1）.

（3）保持穿过霍尔传感器的磁场不变（霍尔元件正上方强磁铁的块数为6块），改变通过霍尔传感器的电流（调节电阻箱值的电阻值），观察霍尔电压与电流的定性关系（见表2）.

实验结果讨论：

保持通过霍尔传感器的电流不变（调节电阻箱值为200Ω），霍尔电压随磁铁块数（磁感应强度）的增大而增大；保持穿过霍尔传感器的磁场不变（霍尔元件正上方强磁铁的块数为6块），霍尔电压随通过霍尔传感器的电流的增大而增大.

232自制磁流体发电机模型

实验材料：食盐水、水桶、饮料瓶、铁架台带铁夹、铜片、螺丝、螺帽、皮管、数字式多用电表、离心式抽水泵、强磁铁、导线若干.

实验原理：霍尔效应.

实验步骤：

（1）将实验材料组装制成磁流体发电机模型装置（图11）.

（2）首先在水桶中注满水，水中加入一定量的食盐，再将离心式抽水泵伸入其中，水泵另一头跟皮管相连.

（3）将多用电表接在事先做好的带有电极的饮料瓶两端.

（4）将饮料瓶另一端的皮管伸入水中，然后打开抽水泵电源，使食盐水均匀通过饮料瓶.

（5）多次测量，记录多用电表显示的霍尔电压.

实验结果讨论：

有水流形成立即就有电流形成，水流速度变化则电流大小变化，水流速度为零，则形成电流为零.

3探究磁流体推进技术[5-6]

31安培力与磁流体推进

国产超导磁流體推进潜艇已经下水试验，因此掀起了一股磁流体推进热我们都知道海水具有导电性，将有电流通过的海水置于磁场中，海水将会在电磁力的作用下运动，规律与磁场下的通电导体一样，都符合左手定则（图12）.

海水向后运动，船就会被反作用力向前推进，这就是所谓的“磁流体推进”，处在磁场里的海水也就是“磁流体”了，“超导”则是指产生磁场的是超导体制成的线圈（图13）.

磁流体推进器结构简单，没有任何运动部件，因此故障率低，效率高，而且噪声很小，适合安装在潜艇上.

32自制磁流体推进装置

实验材料：塑料泡沫鞋底做的船体，高强度磁铁，9伏电池，铜片等.

实验原理：左手定则.

实验步骤：endprint