浅析“磁流体发电机”的难点突破

浅析“磁流体发电机”的难点突破

於罗英（江苏省大港中学，江苏 镇江 212028）

一、难点分析

磁流体发电是一种新型的发电方式，它起动快，效率高，它不仅不产生污染，反而能消灭污染物，其前景比较乐观。在中学教材中简单地介绍了其原理，但其难度较大，究其原因在于：

１．从教材的内容来看：磁流体发电机研究的是带电粒子在电场和磁场的复合场中运动，并且结合了稳恒电流的相关知识，其理论抽象，知识复杂，而且其中的电场是动态场，“由静到动”是一个大的飞跃，学生理解要难得多。

２．从发电机的结构来看：教材中画出的磁流体发电机原理图是立体图，该装置中电场与磁场相互垂直，离子流的运动方向与回路中电流方向也不一致，物理量多，关系复杂，它们相互牵涉，相互影响。学生如果不能明确各个量之间的关系，势必造成思路混乱，影响对磁流体发电机原理的理解。

３．从学生的知识水平来看：大多数学生的抽象思维水平和空间想象能力还比较低，对物理知识的理解、判断、分析、推理常常表现出一定的主观性、片面性和表面性，要能够理解磁流体发电机，必须具备一定的抽象思维能力，在物理观念上要有一个更新。

二、原理透析

如图1所示是磁流体发电机的原理图，它由磁场、平行金属板、等离子体等组成，其中A 、B 两平行金属板的面积为S ，相距为d ，板间磁场的磁感应强度为B ，等离子气体的电阻率为ρ，喷入气体速度为v ，正负离子电量为q ，板外电阻为R 。（设该电路为纯电阻电路，欧姆定律能够适用。）

1．将立体图转化为平面图

为了便于理解画出侧视图，如图2所示。 2．分析等离子体的受力情况

等离子体以一定的速度喷入磁场，正离子受到向上的

洛仑兹力而偏转聚集到A 板上，使A 板带正电，负离子受到向下的力偏转聚集到B 板上，

R

使B 板带负电，A 、B 两板间产生向下的附加电场，从而使正、负离子受到向下、向上的附加电场力，如图3所示。

其中洛仑兹力Bqv F =洛是一个定值；电场力q Cd

Q q d E F AB ==电，

其大小与A 、B 两板上电荷量成正比。

3．电源与外电路断开时原理分析

等离子体刚进入磁场时，因两板不带电，电F =0， 正负离子受洛

仑兹力向上下偏转，使得两板电量增加，电F 逐渐增加，但只要电洛F F >，两板上正、负离子会继续积累。一旦当电洛F F =时正、负离子受力平衡不再偏转，这时两板上电量不再增加，两板间电势差保持不变，这就是电源的电动势，计算得Bdv E AB =，其大小取决于磁场区域的大小、磁场的强弱以及等离子体进入磁场的运动速度，由装置本身决定。

4、电源与外电路接通时原理分析

将图1中的电键合上，因为A 板电势比B 板高，回路中将产生电流，自由电子从B 板通过电阻R 运动到A 板，与A 板正电荷相中和， A 、B 板上电量Q 减小，两板间电势差降低，电F 减小，又造成电洛F F >，正负离子在复合场中受力失去平衡，正离子会继续向A 板聚集补充电量，负离子向B 板聚集，以此往复，不断循环。 三、难点突破

要能更加深刻理解磁流体发电机原理，还必须理清下列几组关系。 1．发电机内等离子体的流动方向与电流流向区别

等离子体进入磁场时其运动方向平行于两板，受到电场力后向两板偏转，而电流方向是由A →R →B →A ，在电源内部（即在两板内）方向垂直于两板，两者方向近似垂直。

2．发电机的电动势与路端电压的区别

发电机的电动势Bdv E AB =，其大小由发电机本身决定，与是否接外电路无关，但路端电压却不同。

当电键S 断开时，回路中无电流，电动势与路端电压大小相等，Bdv U E AB AB ==。 当电键S 合上时，回路中有电流，两板上电势差达到动态平衡，其大小为路端电压。

洛 电

洛

电 图 3

电动势仍保持Bdv E AB =不变，根据闭合电路欧姆定律得回路中电流为：r

R E I AB

+=，路端电压Bdv r R R IR U AB +=

=，其数值小于电动势，其中S

d

r ρ=。 3．发电机的发电与耗电的区别

当发电机正常工作时，等离子体射入磁场不断向两板偏转，回路中产生电流。发电机

将磁场能、等离子体的动能转化为电能，其发电功率为)(2

r R I IE P AB +==总。而电流

流过发电机因有内阻而耗电，内耗功率为r

I P 2

=内，外电路也要消耗电能，对应功率为R I P 2=外，内外电路把电能转化为其它形式的能，整个工作过程遵循能量守恒定律。