磁流體技術探秘

葉軍 黃彥焱

摘要：借助傳統和數字化測量手段，嘗試通過理論分析、實驗研究等活動對磁流體密封技術、磁流體發電技術及磁流體推進技術進行探究，取得了較好的探究效果.

關鍵詞：磁流體密封、磁流體發電、磁流體推進

作者簡介：葉軍（1982-），男，浙江富陽人，中學一級，研究生學歷，研究方向：高中物理演示實驗研究；

黃彥焱（1981-），女，浙江塘棲人，中學一級，本科學歷，研究方向：信息技術教學.

1探究磁流體密封技術

11磁流體與磁流體密封裝置

磁流體又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液[1]，是由直徑為納米量級（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀液體（圖1）它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性，是一種新型的功能材料該流體在靜態時無磁性吸引力，當外加磁場作用時，才表現出磁性，正因如此，它才在實際中有著廣泛的應用，在理論上具有很高的學術價值.

磁流體密封裝置（圖2）是由不導電磁座、軸承、磁極、永久磁鐵、導磁軸、磁流體組成，在磁場的作用下，使磁流體充滿環形空間，建立起一系列“O型密封圈”，從而達到密封的效果.

12自制簡易磁流體密封裝置

實驗材料：L型木質底板、金屬立柱、無煙蠟燭、可活動T型支架、大小玻璃管帶膠塞、大小塑料管、強磁鐵、乒乓球、磁流體.

實驗原理：磁流體密封技術是在磁性流體的基礎上發展而來的，當磁流體注進磁場的間隙時，它可以布滿整個間隙，形成一種“液體的O型密封圈”.

實驗步驟：

（1）將實驗材料組裝制成磁簡易流體密封裝置.

（2）將磁流體滴入安插塑料管的環形強磁體表面形成縝密密封層（圖3）.

（3）安插塑料管的環形強磁體穿入細玻璃管，并將細玻璃管安插在大玻璃管下方，塑料管的另一端固定在L型木質底板上.

（4）點燃蠟燭，觀察實驗現象（圖4）.

實驗結果討論：

自制簡易磁流體密封裝置做往復運動，磁流體起了密封和潤滑作用.

2探究磁流體發電技術[2-4]

21霍爾效應與磁流體發電簡介

1879年，霍耳（EHHall）發現，將一導電板放在垂直于板面的磁場中（圖5）， 當有電流通過時，在導電板的A和A′兩側會產生一個電勢差U′AA，這種現象稱為霍耳效應.

實驗表明， 霍耳電壓UAA′與電流強度I和磁感應強度B成正比，而與導電板的厚度d成反比，即

UAA'=kIBd

式中比例系數k稱為霍耳系數霍耳效應是由于外加磁場使漂移運動的電子或載流子發生橫向偏轉而形成的，運動電荷在磁場中所受的力稱為洛倫茲力.

磁流體發電是利用熱離子氣體（或液態金屬）等導電流體與磁場相互作用，把熱能直接轉換成為電能的發電方式，它所依據的是等離子體的霍耳效應將工作氣體加熱到高溫使其充分電離（這種氣體稱為等離子體），然后以很高的速率（約800米/秒）通過垂直磁場，等離子體中的正、負離子在洛倫茲力的作用下，分別偏轉到達導管兩側的電極上，使兩極之間產生一電勢差，將兩側電極與外負載相接便可引出電流而獲得電功率，只要等離子體連續通過磁場，便可以連續不斷地輸出電能（見圖6）磁流體發電所用的工作氣體通常是煤、天然氣或石油等礦物燃料燃燒產生的高溫氣體為了使高溫氣體有足夠的電導率，還需加入總量1%左右的易電離物質──“種子”， 一般為碳酸鉀當采用裂變反應堆作熱源時，工作氣體大多是惰性氣體（例如氦），并以銫作為種子物質.

由于磁流體發電可直接將熱能轉換為電能，這樣就允許采用更高的入口溫度（2000～3000K），提高了熱效率，同時又免去了高溫高速旋轉運動的汽輪機裝置磁流體發電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高所排出的氣體可供給輔助蒸汽發生器產生高溫蒸汽，用它驅動汽輪發電機組，組成高效的聯合循環發電系統，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發中的高效發電技術中最高的.

磁流體發電適用于低電壓、大電流的直流電源由于其無運動部件，無需交流變直流的整流裝置，起動快，可做大功率短時間特種電源、常規發電機的備用電源、核電站的緊急備用電源等，也可通過輔助裝置將其轉化為交流電后送入電網.

22探究霍爾效應

實驗材料：HW101A貼片型霍爾傳感器、洞洞板、導線、鱷魚夾、干電池、電阻箱、毫伏表、數字式多用電表、強磁鐵、鐵架臺帶鐵夾、刻度尺.

實驗步驟：

（1）將實驗材料組裝制成霍爾效應定性研究裝置（圖7），實驗電路如圖8所示.

（2）保持通過霍爾傳感器的電流不變（調節電阻箱值為100Ω），改變磁場（改變霍爾元件正上方強磁鐵的塊數），觀察霍爾電壓與磁感應強度的定性關系（見表1）.

（3）保持穿過霍爾傳感器的磁場不變（霍爾元件正上方強磁鐵的塊數為6塊），改變通過霍爾傳感器的電流（調節電阻箱值的電阻值），觀察霍爾電壓與電流的定性關系（見表2）.

實驗結果討論：

保持通過霍爾傳感器的電流不變（調節電阻箱值為200Ω），霍爾電壓隨磁鐵塊數（磁感應強度）的增大而增大；保持穿過霍爾傳感器的磁場不變（霍爾元件正上方強磁鐵的塊數為6塊），霍爾電壓隨通過霍爾傳感器的電流的增大而增大.

232自制磁流體發電機模型

實驗材料：食鹽水、水桶、飲料瓶、鐵架臺帶鐵夾、銅片、螺絲、螺帽、皮管、數字式多用電表、離心式抽水泵、強磁鐵、導線若干.

實驗原理：霍爾效應.

實驗步驟：

（1）將實驗材料組裝制成磁流體發電機模型裝置（圖11）.

（2）首先在水桶中注滿水，水中加入一定量的食鹽，再將離心式抽水泵伸入其中，水泵另一頭跟皮管相連.

（3）將多用電表接在事先做好的帶有電極的飲料瓶兩端.

（4）將飲料瓶另一端的皮管伸入水中，然后打開抽水泵電源，使食鹽水均勻通過飲料瓶.

（5）多次測量，記錄多用電表顯示的霍爾電壓.

實驗結果討論：

有水流形成立即就有電流形成，水流速度變化則電流大小變化，水流速度為零，則形成電流為零.

3探究磁流體推進技術[5-6]

31安培力與磁流體推進

國產超導磁流體推進潛艇已經下水試驗，因此掀起了一股磁流體推進熱我們都知道海水具有導電性，將有電流通過的海水置于磁場中，海水將會在電磁力的作用下運動，規律與磁場下的通電導體一樣，都符合左手定則（圖12）.

海水向后運動，船就會被反作用力向前推進，這就是所謂的“磁流體推進”，處在磁場里的海水也就是“磁流體”了，“超導”則是指產生磁場的是超導體制成的線圈（圖13）.

磁流體推進器結構簡單，沒有任何運動部件，因此故障率低，效率高，而且噪聲很小，適合安裝在潛艇上.

32自制磁流體推進裝置

實驗材料：塑料泡沫鞋底做的船體，高強度磁鐵，9伏電池，銅片等.

實驗原理：左手定則.

實驗步驟：endprint