高中物理带电粒子运动之磁流体发电机

星宸物理 2020-12-03

磁流体发电技术是一种新型的高效发电方式，由于无需经过机械转换环节，所以也称之为直接发电，燃料利用效率显著提高，用燃料（石油、天然气、煤、核能等）直接加热工作介质，使之在高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动。离子流中的正负离子分别在磁场中发生偏转，到达相应电极并将自身所带的电荷传递给电极，即达成了发电的目的。这种技术也称为等离子体发电，是一种将工作介质的内能直接转化为电能的先进技术。

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，发生电离，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，等离子体整体不显电性。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，分别向两极板偏移，于是正负电荷累积在两极板上并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。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。

磁流体发电机制造中的主要问题是霍尔效应，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，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。今天就跟着董老师一起来了解磁流体发电机，后面会介绍霍尔效应和霍尔元件的。

【物理必备知识】

磁流体发电机原理

【例题】(多选)目前世界上有一种新型发电机叫磁流体发电机，如图表示它的原理：将一束等离子体(包含正、负离子)喷射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，于是金属板上就会聚集电荷，产生电压。以下说法正确的是( )

A.B板带正电

B.A板带正电

C.其他条件不变，只增大射入速度，UAB增大

D.其他条件不变，只增大磁感应强度，UAB增大

【董老师悟语】

在课堂上，讲到磁流体发电机的时候，学生会问，在哪里可以得到具体的应用呢？这时候，如果你说出一些高大上的地方，可能学生没有什么感觉，这时，可以结合前面对极光的解释，利用宇宙中大量的高能粒子，如果能够在卫星上安装磁流体发电机，是不是可以利用宇宙中的高能粒子发电，给卫星提供能量呢？这样的引导，就可以给学生一个发挥想象的空间，有可能会让学生感觉这个发电机确实大有可为！