熱磁發電演示儀

劉忠深，特古斯

(1.內蒙古師范大學 物理與電子信息學院，內蒙古 呼和浩特010022；2.德惠市第八中學，吉林 德惠130323)

1 引 言

熱磁發電是直接將熱能轉化為電能的新型發電技術，這項技術不僅可以利用工業的余熱發電，而且對探索新型發電技術具有非常重要意義.19世紀特斯拉和愛迪生都對熱磁發電進行了研究，并且發明制造了自己的熱磁發電機模型.但是受到當時發電磁性材料和驅動磁場的限制，未能將其應用于實際.近年來，在磁熱效應材料研究探索中，人們發現了MnFe(P，As)化合物具有巨磁熱效應[1]，后來Cam Thanh等人[2]發現用Si替代As的MnFe(P，Si)系列化合物也具有較大的磁熱效應.筆者進一步研究發現MnFe(P，Si)系列化合物符合磁熱發電條件，即該材料在居里溫度附近磁化強度發生巨變.本文主要報道了一級相變材料MnFe(P，Si)的熱磁發電性能，并介紹利用該材料的熱磁性能設計制作的熱磁發電演示裝置.

2 熱磁發電原理

根據法拉第電磁感應定律，通過閉合回路磁通量發生變化，在回路中產生感應電流.通常的發電機是通過磁場和線圈的相對運動，改變穿過線圈的磁通量，在回路中產生感應電流.熱磁發電中磁場和線圈都固定不動，利用處于磁場中材料冷熱變化引起磁化強度M變化，使得通過線圈的磁通量發生變化，在回路中產生交變感應電流.熱磁發電材料受熱溫度升高，當溫度高于居里溫度，磁通量減小，材料中電子自旋磁矩由原來的有序排列變得雜亂無章[3]，從鐵磁態轉化為順磁態，磁化強度M瞬間減小到零.降溫時磁熱發電材料中電子自旋磁矩由雜亂無章排列變為有序排列，當溫度低于居里溫度時，磁通量增加，從順磁態轉化為鐵磁態，磁化強度M瞬間由零增大到飽和值.熱磁發電演示儀線圈中產生的感應電動勢用E[4]可表示為

式中，N為線圈匝數，Δφ為磁通量變化，Δt為磁通量變化所用時間.磁化強度M[5]可表示為

式中，n為磁性原子數，BJ(α)為布里淵函數.當線圈中放入質量為m的磁熱發電材料產生的感應電流為

式中，N為線圈匝數，S為線圈面積，ρ為磁性材料密度，R為總電阻，為磁化強度隨時間的變化率.

3 結果與討論

3.1 MnFe(P，Si)化合物的制備

使用稱重軟件按非化學計量比計算出總質量為100g，4種單質Mn，Fe，P，Si各自的質量，所用原料純度為99%以上.將所稱原料放入球磨罐中，在真空手套箱中抽成真空充入氮氣保護密封后，使用德國產高性能四星型球磨機(Pulverisette－5)球磨6h.再將100g樣品在10t壓力下等靜壓20min成形，然后放入退火爐中，在流動氬氣保護下1373K的高溫燒結2h后自然冷卻至室溫.經X射線衍射檢測，樣品形成Fe2P－型六角結構單相[6].

3.2 MnFe(P，Si)化合物的磁性

圖1為50mT磁場下Mn1.2Fe0.8P1－xSix化合物的M－T曲線圖.圖1顯示Mn1.2Fe0.8P1－xSix化合物升溫M－T曲線和降溫M－T曲線不重合，存在熱滯現象，說明相變為一級相變.根據M－T圖確定樣品的居里溫度TC，并列于表1中.居里溫度處于327～348K之間，跟工業余熱溫度接近，滿足熱磁發電的要求.

圖1 Mn1.2Fe0.8P1－xSix 化合物磁化強度M隨溫度T的變化

表1 Mn1.2Fe0.8P1－xSix 化合物的居里溫度及熱滯溫度

3.3 熱磁發電演示儀設計與制作

圖2為熱磁發電演示儀結構原理圖.圖3為熱磁發電演示儀實物圖.演示儀由磁場系統、感應線圈、熱磁發電材料、冷熱源、電流表等組成[7－8].具體如下：

1)磁場系統為包頭稀土研究院制作的釹鐵硼圓柱形永磁體磁場，長度20cm，內直徑9cm，外直徑20cm，最大磁感應強度B＝0.8T，其作用是使磁熱發電材料達到飽和磁化.

2)冷源采用自來水.熱源采用家用熱水器，其最高溫度大約80℃.這個溫度與工業余熱溫度接近.利用數控電子開關使冷水和熱水交替通過塑料管中的熱磁發電材料，材料冷熱發生周期性變化.

3)感應線圈為自制，線圈匝數為2000，電阻為218Ω.用微安表測量線圈中的感應電流.線圈平面要垂直磁場方向放置.

4)熱磁發電材料.用線切割機將材料切成1.5mm厚的薄片，用防水膠粘成層狀結構中間并留有空隙，以提高其與水接觸面，加快熱交換速度.使材料瞬間受冷、受熱.粘好熱磁發電材料封入塑料管.

圖2 熱磁發電演示儀原理圖

圖3 熱磁發電演示儀實物圖

當線圈匝數N＝2000，外磁場μ0H＝0.8T，熱水溫度t＝80℃，冷水溫度t＝20℃時，配比為Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63樣品質量分別為 100，150，200g，測得最大電流分別為9，14，32μA.感應電流隨樣品質量m增加而增大.

4 結束語

本文研制了簡易熱磁發電演示裝置，演示了MnFe(P，Si)化合物的熱磁發電性能.實驗表明通過處于磁場中熱磁材料冷熱變化，將內能轉化為電能是可行的.盡管該項研究還處于初步階段，但本文的工作對利用工業余熱和太陽能發電具有意義.

[1]Tegus O，Brück E，Buschow K H J，et al.Transition－metal－based magnetic refrigerants for roomtemperature applications[J].Nature，2002，415：150－152.

[2]Cam Thanh D T，Brück E，Trung N T，et al.Structure，magnetism and magnetocaloric properties of MnFeP1－xSixcompounds[J].Appl.Phys.，2008，103：07B318－3.

[3]杜曉波，孫昕，張志杰，等.磁熵變測量實驗裝置[J].物理實驗，2012，32(12)：27－28.

[4]李莉君，倪凱，熊永紅.電磁感應與磁懸浮實驗研究[J].物理實驗，2013，33(1)：30－31.

[5]戴道生，錢昆明.鐵磁學(上冊)[M].北京：科學出版社，1987：50－52.

[6]哈斯朝魯，宋志強，劉雨江，等.Mn1.28Fe0.67P1－xSix化合物的磁熱效應[J].內蒙古師范大學學報：自然科學漢文版，2012，41(1)：42－45.

[7]畢力格，特古斯，伊日勒圖，等.一級相變材料Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6熱磁發電性能[J].物理學報：2012，61(7)：077103－1－077103－4.

[8]Solomon D.Improving the performance of thermomagnetic generator by cycling the magnetic field[J].Appl.Phys.，1988，63(3)：915.

[9]Tesla N.Pyromagneto－electric generator[P].U.S.Patent，No.428057(1890).