中学阶段关于磁流体发电机的几个问题分析

吴文明

(溧水高级中学 江苏 南京 211200)

1 磁流体发电机模型及其原理

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．最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成，如图1所示．工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使部分气体电离后，经喷管加速产生高达3 000℃，速度达到1 000 m/s的高温高速导电气体，最后产生电流．

图1 磁流体发电机模型

磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的．在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，发生电离，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体，等离子体整体不显电性．将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极板偏移，于是正负电荷累积在两极板上并在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了．

2 电动势的计算

图2 磁流体发电机等效图

需要指出的是，在中学阶段，有很多教师和学生有一种错误的理解，认为以上推导得到的U是路端电压，不是发电机的电动势．这种错误的根源在于错误理解了磁流体发电机的原理．当外电路接通时，由于极板上电荷的流动，电荷所受的电场力与洛伦兹力不再平衡而继续偏转到极板上，从而使电量、电压稳定，所以，此时不可再根据二力平衡列出方程．

3 非静电力的来源

磁流体发电机可以看成一个电源，那么是什么力充当电源内的非静电力呢？当外电路闭合时,形成电流,达到稳定动态平衡时,板间的正负离子分别受到洛伦磁力、电场力及内阻对电流的阻碍作用，其中电场力和内阻的阻碍都是阻力，使电荷偏转的是洛伦兹力，但是洛伦兹力并不做功，因此在中学阶段就很难理解这个问题．在这里我们需要分清两个问题.

(1)起移动电荷作用即充当“非静电力”的是洛伦兹力；

(2)其中的能量转化：由于燃烧，形成高速离子流．这是化学能转化为动能．然后在磁场作用下发生偏转．这里洛伦兹力不做功．由于极板之间有电场，高速离子流在偏转到达极板过程中克服电场力做功，动能转化为电势能．

综上，所谓的“非静电力”是洛伦兹力，但是它并不做功，只起转移电荷的作用．

当然，在这个问题上还有另外一种理解，即非静电力是惯性力，这种理解也是可以的．但是对于中学来说，由于没有惯性力的概念，所以不宜这样解释．

4 发电机的最大功率