磁流体发电电流应如何计算VIP专享VIP免费

37卷第3期2015年3月物理教学PHYSICSTEACHINGVo1．37No．3Mar．2015磁流体发电电流应如何计算詹国荣(福建省漳浦达志中学福建363209)林廉义(福建省漳浦第一中学福建363200)摘要本文指出中学物理教学中在分析磁流体发电电流时普遍存在的错误，给出该问题适合于中学生认知条件的分析方法及结论(离子独立时)，同时介绍广义欧姆定律的物理意义及其应用，以期对中学物理教学有所启示。关键词磁流体发电电流流体密度广义欧姆定律霍尔系数文章编号1002—0748(2015)3—0059中图分类号G633·7文献标识码B磁流体发电问题，一直是中学物理讨论的热门话题，每一本高中电学练习书中，都有其与相关的练习，《物理教学))2014年第五期上郑金老师还发表文章专题讨论_1]。一个月后，福建省高考物理压轴题也考查了相关内容[2]。包括以上所列的练习、文章、考题等有关中学物理的文献，都认为：当导电流体以速度流经长、宽、高分别为z、a、b的矩形通道时(如图1所示，其中侧壁M、N为导体板，上下板为绝缘板)，如果管道内存在垂直于绝缘板向上，磁感应强度为B的磁场，则接于极板M、N间的电阻R上的电流为：图1I一—①R+lDa式中p为流体的电阻率。显然，①式是将流动的导电流体等同成切割磁力线运动的固体导体，利用法拉第电磁感应定律和全电路欧姆定律求得的。我们认为，固体导体与含离子的流体虽然都可以导电，但在导电过程中电荷的运动情况不同，尤其是气态导电流体与固体导体的差别更为明显：在受电场力或洛伦兹力作用时，固体导体中的原子实晶格是固定不动的，只有自由电子在运动，而自由电子的运动并没有真正的“自由”，它只能被约束在固体晶格实体的范围里运动；气体流体中的带电离子却不同，不仅原子实在运动，而且可以向任何方向和空间漂移。这一差别，使得以气态导电流体为工作物质的磁流体发电机和以固体导体为工作物质的普通发电机在发电机理及参数特性上有截然的差异。分析计算磁流体发电机时，不可以将气态的导电流体等同成固体导体，上述①式是值得商榷的。一、当流体是密度很小的导电气体时当注入发电机矩形通道的流体是密度很小的导电气体时，气体中的离子在运动过程中与其他离子或中性分子的碰撞概率很小，忽略离子间的相互作用，气体中离子的运动就可以看成独立的。为便于讨论，设流体中所含正、负离子的数密度均为，每个离子的质量均为m，电量均为q。1．当极板M、N间短接时气态流体以速度79。注入管道时，流体中的正、负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转，正离子偏向M板，与M板接触的正离子将电荷传递给M板，同时，偏向N板并与其接触的负离子也将负电荷传给N板。如果M、N间短接，M、N板获得的正、负电荷无法积聚，而是即时通过外接短路导线进行中和，致使己，三0，M、N间的电场强度E三0。管道中的带电离子仅受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动，其运动半径r===、周期T=(女Ⅱ图2所示)。显然：窍t]0N1．．．．．．．．．．．．．．图2(1)当口≤2r一2等，且z足够大(即z≥r)时，注入管道气体中的所有正、负离子将会分别到达M、N板，时间里M板获得的电荷量△Q—nqabvoAt，此时的短路电流—nqabvo②(2)当n>2r一2警，且z足够大时，注入管道·59·37卷第3期物理教学的气体离子中，只有距M板2r以内的正离子才能到达M板、距N板2r以内的负离子才fiChU达N板，At时间里M板获得的电荷量△Q—nq·2r·by。At，此时的短路电流=_百_2mnbv~o③为了比较②、③两式与①式在短路时的电流值是否相同，将R一0及一1嘲代入①，得：2I一堕．Blb。①2m(式中为离子的平均自由程，为离子热运动的平均速度)可以看出，②、③两式与①式都不相同。这说明，当磁流体发电通道中注人的导电气体很稀薄时，导电气体不可当成固体导体看待，由①式得到的短路电流是不正确的。2．当极板M、N间接有负载时极板M、N间接有负载R时，流经R上的电流在M、N板面形成电压【，M~，当相等时间内通过R的电荷量与气体离子传递给极板的电量相等时，电阻R上的电流J维持稳定，M、N问也有稳定的电压己，一·R，此时，矩形通道内除存在磁场外，还有电场E一④人射气体中的离子经过管道时，同时受洛伦兹力和电场力的作用，为分析离子的运动情况，我们将入射...