磁流體技術(shù)探秘

葉軍 黃彥焱

摘要：借助傳統(tǒng)和數(shù)字化測量手段，嘗試通過理論分析、實驗研究等活動對磁流體密封技術(shù)、磁流體發(fā)電技術(shù)及磁流體推進技術(shù)進行探究，取得了較好的探究效果.

關(guān)鍵詞：磁流體密封、磁流體發(fā)電、磁流體推進

作者簡介：葉軍（1982-），男，浙江富陽人，中學(xué)一級，研究生學(xué)歷，研究方向：高中物理演示實驗研究；

黃彥焱（1981-），女，浙江塘棲人，中學(xué)一級，本科學(xué)歷，研究方向：信息技術(shù)教學(xué).

1探究磁流體密封技術(shù)

11磁流體與磁流體密封裝置

磁流體又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液[1]，是由直徑為納米量級（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體（圖1）它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性，是一種新型的功能材料該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，才表現(xiàn)出磁性，正因如此，它才在實際中有著廣泛的應(yīng)用，在理論上具有很高的學(xué)術(shù)價值.

磁流體密封裝置（圖2）是由不導(dǎo)電磁座、軸承、磁極、永久磁鐵、導(dǎo)磁軸、磁流體組成，在磁場的作用下，使磁流體充滿環(huán)形空間，建立起一系列“O型密封圈”，從而達到密封的效果.

12自制簡易磁流體密封裝置

實驗材料：L型木質(zhì)底板、金屬立柱、無煙蠟燭、可活動T型支架、大小玻璃管帶膠塞、大小塑料管、強磁鐵、乒乓球、磁流體.

實驗原理：磁流體密封技術(shù)是在磁性流體的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，當(dāng)磁流體注進磁場的間隙時，它可以布滿整個間隙，形成一種“液體的O型密封圈”.

實驗步驟：

（1）將實驗材料組裝制成磁簡易流體密封裝置.

（2）將磁流體滴入安插塑料管的環(huán)形強磁體表面形成縝密密封層（圖3）.

（3）安插塑料管的環(huán)形強磁體穿入細玻璃管，并將細玻璃管安插在大玻璃管下方，塑料管的另一端固定在L型木質(zhì)底板上.

（4）點燃蠟燭，觀察實驗現(xiàn)象（圖4）.

實驗結(jié)果討論：

自制簡易磁流體密封裝置做往復(fù)運動，磁流體起了密封和潤滑作用.

2探究磁流體發(fā)電技術(shù)[2-4]

21霍爾效應(yīng)與磁流體發(fā)電簡介

1879年，霍耳（EHHall）發(fā)現(xiàn)，將一導(dǎo)電板放在垂直于板面的磁場中（圖5）， 當(dāng)有電流通過時，在導(dǎo)電板的A和A′兩側(cè)會產(chǎn)生一個電勢差U′AA，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng).

實驗表明， 霍耳電壓UAA′與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，而與導(dǎo)電板的厚度d成反比，即

UAA'=kIBd

式中比例系數(shù)k稱為霍耳系數(shù)霍耳效應(yīng)是由于外加磁場使漂移運動的電子或載流子發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)而形成的，運動電荷在磁場中所受的力稱為洛倫茲力.

磁流體發(fā)電是利用熱離子氣體（或液態(tài)金屬）等導(dǎo)電流體與磁場相互作用，把熱能直接轉(zhuǎn)換成為電能的發(fā)電方式，它所依據(jù)的是等離子體的霍耳效應(yīng)將工作氣體加熱到高溫使其充分電離（這種氣體稱為等離子體），然后以很高的速率（約800米/秒）通過垂直磁場，等離子體中的正、負離子在洛倫茲力的作用下，分別偏轉(zhuǎn)到達導(dǎo)管兩側(cè)的電極上，使兩極之間產(chǎn)生一電勢差，將兩側(cè)電極與外負載相接便可引出電流而獲得電功率，只要等離子體連續(xù)通過磁場，便可以連續(xù)不斷地輸出電能（見圖6）磁流體發(fā)電所用的工作氣體通常是煤、天然氣或石油等礦物燃料燃燒產(chǎn)生的高溫氣體為了使高溫氣體有足夠的電導(dǎo)率，還需加入總量1%左右的易電離物質(zhì)──“種子”， 一般為碳酸鉀當(dāng)采用裂變反應(yīng)堆作熱源時，工作氣體大多是惰性氣體（例如氦），并以銫作為種子物質(zhì).

由于磁流體發(fā)電可直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，這樣就允許采用更高的入口溫度（2000～3000K），提高了熱效率，同時又免去了高溫高速旋轉(zhuǎn)運動的汽輪機裝置磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高所排出的氣體可供給輔助蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫蒸汽，用它驅(qū)動汽輪發(fā)電機組，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的.

磁流體發(fā)電適用于低電壓、大電流的直流電源由于其無運動部件，無需交流變直流的整流裝置，起動快，可做大功率短時間特種電源、常規(guī)發(fā)電機的備用電源、核電站的緊急備用電源等，也可通過輔助裝置將其轉(zhuǎn)化為交流電后送入電網(wǎng).

22探究霍爾效應(yīng)

實驗材料：HW101A貼片型霍爾傳感器、洞洞板、導(dǎo)線、鱷魚夾、干電池、電阻箱、毫伏表、數(shù)字式多用電表、強磁鐵、鐵架臺帶鐵夾、刻度尺.

實驗步驟：

（1）將實驗材料組裝制成霍爾效應(yīng)定性研究裝置（圖7），實驗電路如圖8所示.

（2）保持通過霍爾傳感器的電流不變（調(diào)節(jié)電阻箱值為100Ω），改變磁場（改變霍爾元件正上方強磁鐵的塊數(shù)），觀察霍爾電壓與磁感應(yīng)強度的定性關(guān)系（見表1）.

（3）保持穿過霍爾傳感器的磁場不變（霍爾元件正上方強磁鐵的塊數(shù)為6塊），改變通過霍爾傳感器的電流（調(diào)節(jié)電阻箱值的電阻值），觀察霍爾電壓與電流的定性關(guān)系（見表2）.

實驗結(jié)果討論：

保持通過霍爾傳感器的電流不變（調(diào)節(jié)電阻箱值為200Ω），霍爾電壓隨磁鐵塊數(shù)（磁感應(yīng)強度）的增大而增大；保持穿過霍爾傳感器的磁場不變（霍爾元件正上方強磁鐵的塊數(shù)為6塊），霍爾電壓隨通過霍爾傳感器的電流的增大而增大.

232自制磁流體發(fā)電機模型

實驗材料：食鹽水、水桶、飲料瓶、鐵架臺帶鐵夾、銅片、螺絲、螺帽、皮管、數(shù)字式多用電表、離心式抽水泵、強磁鐵、導(dǎo)線若干.

實驗原理：霍爾效應(yīng).

實驗步驟：

（1）將實驗材料組裝制成磁流體發(fā)電機模型裝置（圖11）.

（2）首先在水桶中注滿水，水中加入一定量的食鹽，再將離心式抽水泵伸入其中，水泵另一頭跟皮管相連.

（3）將多用電表接在事先做好的帶有電極的飲料瓶兩端.

（4）將飲料瓶另一端的皮管伸入水中，然后打開抽水泵電源，使食鹽水均勻通過飲料瓶.

（5）多次測量，記錄多用電表顯示的霍爾電壓.

實驗結(jié)果討論：

有水流形成立即就有電流形成，水流速度變化則電流大小變化，水流速度為零，則形成電流為零.

3探究磁流體推進技術(shù)[5-6]

31安培力與磁流體推進

國產(chǎn)超導(dǎo)磁流體推進潛艇已經(jīng)下水試驗，因此掀起了一股磁流體推進熱我們都知道海水具有導(dǎo)電性，將有電流通過的海水置于磁場中，海水將會在電磁力的作用下運動，規(guī)律與磁場下的通電導(dǎo)體一樣，都符合左手定則（圖12）.

海水向后運動，船就會被反作用力向前推進，這就是所謂的“磁流體推進”，處在磁場里的海水也就是“磁流體”了，“超導(dǎo)”則是指產(chǎn)生磁場的是超導(dǎo)體制成的線圈（圖13）.

磁流體推進器結(jié)構(gòu)簡單，沒有任何運動部件，因此故障率低，效率高，而且噪聲很小，適合安裝在潛艇上.

32自制磁流體推進裝置

實驗材料：塑料泡沫鞋底做的船體，高強度磁鐵，9伏電池，銅片等.

實驗原理：左手定則.

實驗步驟：endprint