淺析磁流體發電機的原理及其應用

摘要:闡明磁流體發電機，又叫等離子發電機的原理。它是根據電磁感應原理，用導電流體，例如氣體或液體，與磁場相對運動而發電的一種設備。磁流體發電時，將帶電的流體(離子氣體或液體)以極高的速度噴射到磁場中去，利用磁場對帶電的流體產生的作用，從而發出電來。

關鍵詞:磁流體發電機;電場力;洛倫茲力;電動勢;壓強差;最大電流;功率

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)3(S)-0053-2

磁流體發電是一種新型的發電技術，它的非靜電力是洛倫茲力。磁流體發電機是將內能直接轉化為電能的裝置。本文對磁流體發電機的工作原理及其所涉及的一些物理參量進行闡述，與讀者一起探討。

1 工作原理與示意圖

磁流體發電機的示意圖如圖1，它由燃燒室(O)、發電通道(E)和偏轉磁場(B)組成，在很高的溫度(大約超過2000℃)下，燃料與氧化劑在燃燒室混合、燃燒后，電離為導電的正負離子(即等離子體)，并以幾百米每秒的高速奔入磁場，在洛倫茲力的作用下，正、負離子分別向上、下極板偏轉，兩極板因聚集正、負電荷而產生靜電場。這時，等離子體同時受到方向相反的洛倫茲力和電場力的作用。當電場力小于洛倫茲力時，離子繼續偏轉，兩極電勢差隨之增大;當電場力等于洛倫茲力時，離子勻速穿過磁場，兩極電勢差達到最大值，即為電源電動勢。

2 有關物理量的計算

2.1 電動勢

電源最重要的兩個參數是電源的電動勢和內電阻。現設兩極板間距為d，根據兩板電勢差到達最大時，等離子體所受到的電場力和洛倫茲力相等，即Bqv=Eq，又由U=Ed，可知此時兩極板的電勢差為U=Bdv，當外電路斷路時，電源的路端電壓等于電源電動勢時，此磁流體發電機的電動勢即為E=Bdv。

2.2 發電通道兩端的壓強差的計算

2.3 帶電粒子單位時間內打到極板的個數

設外電路的用電器的電阻為R，額定功率為P，設每個正負離子所帶的電荷量均為q。若用電器正常工作，由P=I2R，I=PR，每秒通過用電器的電量為Q=It=PR，由于要保持正負兩極之間的電勢差不變，即極板兩端所帶的電量不變，所以，偏向某一極板的離子的電量一定與相同時間內從該極板流走的電荷量相等，所以有Q=nq，所以n=Qq=1qPR，即帶電粒子單位時間內打到極板的個數為1qPR。

2.4 干路中所能形成持續穩定的最大電流

設正、負離子的電荷量均為q。 等離子體以速度v噴入M、N兩板之間，離子流單位體積內有n對正負離子，離子流的截面積為S。當所有的離子均分別打到相應的極板上時，所能形成的電流最大，即Im=Qt=nSvtqt=nSvq。

3 例題分析

例 目前世界上正在研究的新型發電機——磁流體發電機的原理如圖2所示，設想在相距為d、且足夠長的M、N兩金屬板間加有垂直紙面向里的磁感應強度為B的勻強磁場，兩板通過開關S與電阻R相連。將氣體加熱到使之高度電離成等離子體，正、負離子的電荷量均為q。將等離子體以速度v噴入M、N兩板之間，這時兩板上就會聚集電荷而產生電壓，這就是磁流體發電機與一般發電機的不同之處，它可以直接把內能轉化為電能。

(1)指出圖中發電機的正、負極。

(2)求發電機的電動勢。

(3)設噴入兩板間的離子流單位體積內有n對正負離子，離子流的截面積為S，則發電機的最大功率為多少?

解析 (1)等離子體從左側射入磁場時，由左手定則可知，正離子受到向上的洛倫茲力而向M板偏轉，使M板上聚集正電荷;同樣，N板上聚集負電荷。從而M板是發電機的正極、N板是發電機的負極。

(2)當開關S斷開時，M、N兩板的電壓就等于電源的電動勢。 穩定時，M、N兩板上電荷不再增加，此時等離子體所受的洛倫茲力與電場力恰好平衡，即有Eq=qvB，有因為E=Ud，所以電源的電動勢為U=Bdv。

(3)在理想狀態時，噴入兩極間的離子流全部流向兩極，這時電源達到最大功率。此時電路中的最大電流為:Im=Nqt，N為在時間t內噴入兩極間的正、負離子的總數，即:N=nSvt。所以發電機的最大功率為:Pm=UIm=ndqSBv2。

實際的磁流體發電機的構造非常復雜，用來產生磁場的磁系統和導電氣流的通道等形狀結構的選擇都十分講究。本文通過磁流體發電機的發電原理和相關的物理量的處理以及簡單的應用，對磁流體發電機進行簡單的闡述，希望能給讀者一些幫助。

參考文獻:

[1]呂友昌.開環磁流體發電.北京工業大學出版社 .1998-12

(欄目編輯王柏廬)