磁流体发电及

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1、磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据霍尔效应,（当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的 导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。）用导电流体，例如空气或液体， 与磁场相对运动而发电的一种设备。磁流体发电，是将带电的流体（离子气体或液体）以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而发 出电来。最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电 离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3000度、速度达到1000米/秒的高温高速导电气体，最后产

2、生电 流。原理磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的 原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核 的混合物，这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫，这是造成空气 污染的一个重要原因。利用磁流体

3、发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，它使用的一些添加材料还可以和硫化合，生成硫 酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料，再配上 快速启动装置，就可以使发电机功率达到1000万kW,这就满足了一些需要大功率电力的场合。目前， 中国，美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力于这方面的研究。磁流体发电机产生电动势，输出电功率的原理如上图。1959年，美国阿夫柯公司建造了第一台磁流体发电机，功率为115kW。此后各国均有研究制造，美苏联合研制的磁流体发电机U 2

4、5B在1978年8月进行了第四次试验，气体-等离子体流量为24kg/s，温度为2950K，磁场为5T，输出功率1300kW , 共运行了 50小时。目前许多国家正在研制百万千瓦的利用超导磁体的磁流体发电机。缺点现在磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，目前只有10%。通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。“磁流体推进器”就是贯通海水的通道内建有一个磁场，这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用，使之在通道内运动，若运动方向指 向船艉，则反作用力便会推动船舶前进。与传统机械传动类推进器（譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等）

5、相比较，磁流体推进器的不同点在于：前者使用机械动力作为推力而 后者使用电磁力。正因为如此，磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等，是一种完全没有机械噪音的安静推进器。模型讲解例 1. 图 1 是电磁流量计的示意图，在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场区域，当管中的导电液体流过此磁场区域时，测 出管壁上的ab两点间的电动势8，就可以知道管中液体的流量Q单位时间内流过液体的体积（m3/s ）。已知管的直径为D,磁 感应强度为B，试推出Q与8的关系表达式。图1解析：a, b两点的电势差是由于带电粒子受到洛伦兹力在管壁的上下两侧堆积电荷产生的。到一定程度后上下两侧堆积的电荷 不再增多，

6、a，b两点的电势差达到稳定值，此时，洛伦兹力和电场力平衡：qvB二qE，e = d，v二万万，圆管的横截面积S二4兀D 2故流量Q二Sv二罟B。评点：该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。联系宏观量I和微观量的电流表达式1 = nevS是一个很有用的公式。【例5】电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(在单位时间内通过管内横载面的流体的体积)为了简化，假设 流量计是如图 3-12 所示的横载面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c,流量计的两端与输送液体的管道 相连接(图中虚线)图中

7、流量计的上、下两面是金属 材料，前、后两面是绝缘材料，现将流量计所在处加 磁感应强度为 B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后 两面，当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值, 已知流体的电阻率，不计电流表的内阻，则可求得流量为多大?【解析】导电流体从管中流过时，其中的阴阳离子会受磁场力作用而向管的上下表面偏转，上、下表面带电后一方面使阴阳离子又受 电场力阻碍它们继续偏转，直到电场力与磁场力平衡；另一方面对外接电阻来说，上、下表面相当于电源，使电阻中的电流满足闭合 电路欧姆定律.设导电流体的流动速度v,由于导电流体中正、负离子

8、在磁场中的偏转，在上、下两板上积聚电荷，在两极之间形成电场，当电场力 qE与洛伦兹力qvB平衡时，E=Bv,两金属板上的电动势E =Bcv,内阻r=pc/ab,与R串联的电路中电流:I=Bcv/(R+r),v=I(R+ pc/ab)/Bc；流体流量:Q=vbc=I(bR+pc/a)/B【解题回顾】因为电磁流量计是一根管道，内部没有任何阻碍流体流动的结构，所以可以用来测量高黏度及强腐蚀性流体的流量它 还具有测量范围宽、反应快、易与其他自动控制装置配套等优点可见，科技是第一生产力.本题是闭合电路欧姆定律与带电粒子在电磁场中运动知识的综合运用这种带电粒子的运动模型也称为霍尔效应，在许多仪器设 备中被

9、应用.如速度选择器、磁流体发电机等等.例2.磁流体发电是一种新型发电方式，图 2 和图 3 是其工作原理示意图。图 2 中的长方体是发电导管，其中空部分的长、高、 宽分别为人a、b，前后两个侧面是绝缘体，下下两个侧面是电阻可略的导体电极，这两个电极与负载电brl相连。整个发电导管 处于图3中磁场线圈产生的匀强磁场里，磁感应强度为B,方向如图所示。发电导管内有电阻率为P的高温、高速电离气体沿导管向 右流动，并通过专用管道导出。由于运动的电离气体受到磁场作用，产生了电动势。发电导管内电离气体流速随磁场有无而不同。设 发电导管内电离气体流速处处相同，且不存在磁场时电离气体流速为v ，电离气体所受摩擦

10、阻力总与流速成正比，发电导管两端的电 离气体压强差Ap维持恒定，求：导*剁图2图3（1）不存在磁场时电离气体所受的摩擦阻力F多大;（2）磁流体发电机的电动势E的大小;3）磁流体发电机发电导管的输入功率 P。解析：（1）不存在磁场时，由力的平衡得F二abp。（2）设磁场存在时的气体流速为v,则磁流体发电机的电动势E = BavBav回路中的电流1二aR +巴 L bl电流I受到的安培力F安B2a2vF设尸为存在磁场时的摩擦阻力依题意-=v，存在磁场时，由力的平衡得ab Ap = F安+ v女0根据上述各式解得E =Bav0B2av1 + 0（3）磁流体发电机发电导管的输入功率P二abvAp由能量

11、守恒定律得p = EI + Fv故:abv Ap0B2av1 + 0模型特征“电磁流量计”模型设计到两种情况：一种是粒子处于直线运动状态;另一种是曲线运动状态。处于直线运动线索：合外力为 0，粒子将做匀速直线运动或静止：当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子 将做变速直线运动。处于曲线运动状态线索：当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动;当带电粒子所受的合外力的大小、方 向均是不断变化的，则粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理。所以分析带电粒子在电场、磁场中运动，主要是两条思路：（1）力和运动的关系。根据带电粒子所受的力，运用牛顿第二定律并结合运

12、动学规律求解。（2）功能关系。根据场力及其他外力对带电粒子做功引起的能量变化或全过程中的功能关系，从而可确定带电粒子的运动情况， 这条线索不但适用于均匀场，也适用于非均匀场。因此要熟悉各种力做功的特点。模型诠释，能通过速度选择器的带电粒子必是速度为该值的粒子，速度选择器：路径不发生偏转的离子的条件是qvB二qE，即v二与它带多少电和电性、质量均无关。图4磁流体发电机（霍尔效应）：如图5 所示的是磁流体发电机原理图，其原理是：等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到两极板上，在两极板上产生电势差。设A、B平行金属板的面积为S,相距L,等离子气体的电阻率为P，喷 入气体速

13、度为V,板间磁场的磁感应强度为B,板外电阻为R,当等离子气体匀速通过A、B板间时，A、B板上聚集的电荷最多，板间电动势E二BLv电势差最大，即为电源电动势。此时离子受力平衡：qvB二qE，图5电磁流量计：（略见例题） 误区点拨处理带电粒子在场中的运动问题应注意是否考虑带电粒子的重力。这要依据具体情况而定，质子、a粒子、离子等微观粒子，一 般不考虑重力；液滴、尘埃、小球等宏观带电粒子由题设条件决定，一般把装置在空间的方位介绍的很明确的，都应考虑重力。在题目中有明确交待的是否要考虑重力的，这种情况比较正规，也比较简单。若是直接看不出是否要考虑重力，根据题目的隐含 条件来判断。但在进行受力分析与运动

14、分析时，要由分析结果，先进行定性确定再决定是否要考虑重力。电场力可以对电荷做功，能改变电荷的功能；洛伦兹力不能对电荷做功，不能改变电荷的动能。E模型演练（2005年海淀区期末练习）如图6甲所示，一带电粒子以水平初速度v （ v0 W2B. 一定是W1=气C一定是W1 W2，可能是W1 W2答案： A。3)为了提高霍尔元件的灵敏度，可采用哪些方法？分)法拉第曾提出一种利用河流发电的设想，并进行了实验研究，实验装置的示意图可用题23 图表示，两块面 积均为S的举行金属板，平行、正对、数值地全部浸在河水中，间距为d。水流速度处处相同，大小为V,方向水平, 金属板与水流方向平行。地磁场磁感应强度的竖直

15、分别为B,说的电阻率为P，水面上方有一阻值为R的电阻通过绝 缘导线和电键 K 连接到两个金属板上，忽略边缘效应，求 该发电装置的电动势；通过电阻R的电流强度。电阻R消耗的电功率。福建省宁德三县市一中2010届高三第二次联考(理综)物理部分(ID=27184 )点值：0点储值：0.0元使用：1人次日期：2010/4/26在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件(如图)，在E、F间通人恒定 的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,在M、N间出现了电压UH，称为霍尔电压。H(1) 电流和磁场方向如图中所示，载流子是电子，M、N两端中哪端电势较高？US = K(2) 试证明：，K为与材料有关的常量。