磁流体发电机模型的制作与实验

肖永强 徐兴花

摘要:介绍一种磁流体发电机模型的制作流程及实验方法。

关键词:磁流体发电机;模型;制作实验

中图分类号:G633.7 文献标识码:A文章编号:1003-6148(2009)11(S)-0056-3

1 实验原理

磁流体发电,是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去,利用磁场对带电的流体产生的作用,从而发出电来。高中新课程教材《选修3-1》和各类教辅资料均有介绍。本教具以饱和NaNO₃溶液为流体以一定的流速进入强磁场,利用电荷在磁场中受洛伦兹力作用发生偏转至两金属铜极,发出电来,从而弥

补高中物理演示实验教具的空白。

2 实验器材

钕铁硼强磁铁、金属铜片、透明有机玻璃、饱和NaNO₃溶液、微安表或数字式万用表、玻璃管、橡皮塞、导线、洗瓶。

3 制作流程

(1)利用有机玻璃的透明性制作磁流体发电机实验平台,电解质溶液槽1个、回收槽2个,制作过程中需用三氯甲烷(氯仿)进行粘合,如图1所示;

(2)选取8.5cm×1.0cm×0.5cm金属铜条两片,在一端由导线引出两极,方便连接微安表或数字式万用表,如图2所示;

(3)淘宝网购置钕铁硼强磁铁两块,尺寸为8.0cm×6.3cm×1.0cm;

(4)制作用于隔离两磁铁和安插铜条的机盒,长与宽由磁铁决定,厚度由铜条宽度决定,如图3所示;

(5)配制饱和NaNO₃溶液以替代高温高压等离子体。

4 操作步骤

(1)按照制作流程中所制器材安装实验模型,安装后装置如图4所示;

(2) 微安表的两极或数字式万用表的两个表笔与两铜条接线柱相连接,并将数字式万用表打至毫安档或微安档;

(3)将已配制的饱和NaNO₃溶液倒入电解质溶液槽中,打开阀门,通过玻管经两铜条流入回收槽;

(4)通过回收槽交替传动,使饱和NaNO₃溶液得以持续流动;

(5)观察微安表或数字式万用表的示数变化情况;

(6)拆卸实验装置,清洗擦干。

5 实验结论

测得的实验数据显示,铜条两端所测电压最大值可达60mV,微安表示数最大值可达50μA,并实验可重复操作。

6 模型优点

(1)本实验装置均属原创:更重要的是弥补高中物理演示实验教具的空白;

(2)实验选材简单、环保:选取的实验材料均属常见材料,制作简单,环保;

(3)实验操作安全可重复:操作过程中不存在安全隐患,符合演示实验的安全性原则,并且实验可以重复操作;

(4)实验可视程度高且广:由于本教具采用透明的有玻璃制作,视角大且可视程度高,消除了学生头脑中对磁流体发机的神秘感,使实验教具做到平民化;

(5)实验结果明显、可靠:测得的实验数据显示,铜条两端所测电压最大值可达60mV,微安表示数最大值可达50μA,并且每次实验均能成功;

(6)可以由学生独立操作:本实验另一个亮点便是学生可以独立自主操作,实现学生D.I.Y.。

7 几点释疑

(1)质疑实验数据可靠性?

在电解质溶液自身流动过程中,可能形成微电流,本实验数据可能存在失真现象。笔者通过数字式万用表表笔探测了电解质流体可能形成的微电流数据,将万用表选择微安档时,显示屏有示数跳动,但从未超过1μA,且与直接打至数字式万用表微安档显示相同,说明此时的两组数据均为不可靠数据,而磁流体实验中,最大值可达50μA,即实验结果明显可靠。

(2)实验中的流体为何选用饱和NaNO₃溶液而非饱和NaCl溶液?

实验中之所以选用饱和NaNO₃溶液为流体,是为了防止在使用饱和NaCl溶液为流体过程中因铜条接线处材料质地不同而引起电解反应,实验过程产生氯气,污染环境,进而实现这个实验的环保性。

(3)为何利用回收槽人工传接电解质溶液?

本实验在原先操作过程中,还设有水泵将流体形成自动环流装置,但在教学演示过程中出现了两个问题:一是水泵带动需要电源,有学生怀疑检测电表的示数可能是电源造成的;二是溶液形成环流会给学生造成“永动机”可能的假象,使教学重点发生转移,不利课堂教学。为此,利用两回收槽交替传动,使教学重点突出,实验环节保持原生态。

参考文献:

[1]普通高中课程标准实验教科书《物理》必修.北京:人民教育出版社

(栏目编辑王柏庐)