中學(xué)階段關(guān)于磁流體發(fā)電機(jī)的幾個(gè)問(wèn)題分析

吳文明

(溧水高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211200)

1 磁流體發(fā)電機(jī)模型及其原理

磁流體發(fā)電，是將帶電的流體(離子氣體或液體)以極高的速度噴射到磁場(chǎng)中去，利用磁場(chǎng)對(duì)帶電的流體產(chǎn)生的作用，從而發(fā)出電來(lái)．最簡(jiǎn)單的開(kāi)式磁流體發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成，如圖1所示．工作過(guò)程是在化石燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使部分氣體電離后，經(jīng)噴管加速產(chǎn)生高達(dá)3 000℃，速度達(dá)到1 000 m/s的高溫高速導(dǎo)電氣體，最后產(chǎn)生電流．

圖1 磁流體發(fā)電機(jī)模型

磁流體發(fā)電中的帶電流體，它們是通過(guò)加熱燃料、惰性氣體、堿金屬蒸氣而得到的．在幾千攝氏度的高溫下，這些物質(zhì)中的原子和電子的運(yùn)動(dòng)都很劇烈，有些電子甚至可以脫離原子核的束縛，發(fā)生電離，結(jié)果，這些物質(zhì)變成自由電子、失去電子的離子以及原子核的混合物，這就是等離子體，等離子體整體不顯電性．將等離子體以超音速的速度噴射到一個(gè)加有強(qiáng)磁場(chǎng)的管道里面，等離子體中帶有正、負(fù)電荷的高速粒子，在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，分別向兩極板偏移，于是正負(fù)電荷累積在兩極板上并在兩極之間產(chǎn)生電壓，用導(dǎo)線將電壓接入電路中就可以使用了．

2 電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算

圖2 磁流體發(fā)電機(jī)等效圖

需要指出的是，在中學(xué)階段，有很多教師和學(xué)生有一種錯(cuò)誤的理解，認(rèn)為以上推導(dǎo)得到的U是路端電壓，不是發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)．這種錯(cuò)誤的根源在于錯(cuò)誤理解了磁流體發(fā)電機(jī)的原理．當(dāng)外電路接通時(shí)，由于極板上電荷的流動(dòng)，電荷所受的電場(chǎng)力與洛倫茲力不再平衡而繼續(xù)偏轉(zhuǎn)到極板上，從而使電量、電壓穩(wěn)定，所以，此時(shí)不可再根據(jù)二力平衡列出方程．

3 非靜電力的來(lái)源

磁流體發(fā)電機(jī)可以看成一個(gè)電源，那么是什么力充當(dāng)電源內(nèi)的非靜電力呢？當(dāng)外電路閉合時(shí),形成電流,達(dá)到穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡時(shí),板間的正負(fù)離子分別受到洛倫磁力、電場(chǎng)力及內(nèi)阻對(duì)電流的阻礙作用，其中電場(chǎng)力和內(nèi)阻的阻礙都是阻力，使電荷偏轉(zhuǎn)的是洛倫茲力，但是洛倫茲力并不做功，因此在中學(xué)階段就很難理解這個(gè)問(wèn)題．在這里我們需要分清兩個(gè)問(wèn)題.

(1)起移動(dòng)電荷作用即充當(dāng)“非靜電力”的是洛倫茲力；

(2)其中的能量轉(zhuǎn)化：由于燃燒，形成高速離子流．這是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能．然后在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)．這里洛倫茲力不做功．由于極板之間有電場(chǎng)，高速離子流在偏轉(zhuǎn)到達(dá)極板過(guò)程中克服電場(chǎng)力做功，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能．

綜上，所謂的“非靜電力”是洛倫茲力，但是它并不做功，只起轉(zhuǎn)移電荷的作用．

當(dāng)然，在這個(gè)問(wèn)題上還有另外一種理解，即非靜電力是慣性力，這種理解也是可以的．但是對(duì)于中學(xué)來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有慣性力的概念，所以不宜這樣解釋?zhuān)?/p>

4 發(fā)電機(jī)的最大功率