热磁发电演示仪

刘忠深，特古斯

(1.内蒙古师范大学 物理与电子信息学院，内蒙古 呼和浩特010022；2.德惠市第八中学，吉林 德惠130323)

1 引 言

热磁发电是直接将热能转化为电能的新型发电技术，这项技术不仅可以利用工业的余热发电，而且对探索新型发电技术具有非常重要意义.19世纪特斯拉和爱迪生都对热磁发电进行了研究，并且发明制造了自己的热磁发电机模型.但是受到当时发电磁性材料和驱动磁场的限制，未能将其应用于实际.近年来，在磁热效应材料研究探索中，人们发现了MnFe(P，As)化合物具有巨磁热效应[1]，后来Cam Thanh等人[2]发现用Si替代As的MnFe(P，Si)系列化合物也具有较大的磁热效应.笔者进一步研究发现MnFe(P，Si)系列化合物符合磁热发电条件，即该材料在居里温度附近磁化强度发生巨变.本文主要报道了一级相变材料MnFe(P，Si)的热磁发电性能，并介绍利用该材料的热磁性能设计制作的热磁发电演示装置.

2 热磁发电原理

根据法拉第电磁感应定律，通过闭合回路磁通量发生变化，在回路中产生感应电流.通常的发电机是通过磁场和线圈的相对运动，改变穿过线圈的磁通量，在回路中产生感应电流.热磁发电中磁场和线圈都固定不动，利用处于磁场中材料冷热变化引起磁化强度M变化，使得通过线圈的磁通量发生变化，在回路中产生交变感应电流.热磁发电材料受热温度升高，当温度高于居里温度，磁通量减小，材料中电子自旋磁矩由原来的有序排列变得杂乱无章[3]，从铁磁态转化为顺磁态，磁化强度M瞬间减小到零.降温时磁热发电材料中电子自旋磁矩由杂乱无章排列变为有序排列，当温度低于居里温度时，磁通量增加，从顺磁态转化为铁磁态，磁化强度M瞬间由零增大到饱和值.热磁发电演示仪线圈中产生的感应电动势用E[4]可表示为

式中，N为线圈匝数，Δφ为磁通量变化，Δt为磁通量变化所用时间.磁化强度M[5]可表示为

式中，n为磁性原子数，BJ(α)为布里渊函数.当线圈中放入质量为m的磁热发电材料产生的感应电流为

式中，N为线圈匝数，S为线圈面积，ρ为磁性材料密度，R为总电阻，为磁化强度随时间的变化率.

3 结果与讨论

3.1 MnFe(P，Si)化合物的制备

使用称重软件按非化学计量比计算出总质量为100g，4种单质Mn，Fe，P，Si各自的质量，所用原料纯度为99%以上.将所称原料放入球磨罐中，在真空手套箱中抽成真空充入氮气保护密封后，使用德国产高性能四星型球磨机(Pulverisette－5)球磨6h.再将100g样品在10t压力下等静压20min成形，然后放入退火炉中，在流动氩气保护下1373K的高温烧结2h后自然冷却至室温.经X射线衍射检测，样品形成Fe2P－型六角结构单相[6].

3.2 MnFe(P，Si)化合物的磁性

图1为50mT磁场下Mn1.2Fe0.8P1－xSix化合物的M－T曲线图.图1显示Mn1.2Fe0.8P1－xSix化合物升温M－T曲线和降温M－T曲线不重合，存在热滞现象，说明相变为一级相变.根据M－T图确定样品的居里温度TC，并列于表1中.居里温度处于327～348K之间，跟工业余热温度接近，满足热磁发电的要求.

图1 Mn1.2Fe0.8P1－xSix 化合物磁化强度M随温度T的变化

表1 Mn1.2Fe0.8P1－xSix 化合物的居里温度及热滞温度

3.3 热磁发电演示仪设计与制作

图2为热磁发电演示仪结构原理图.图3为热磁发电演示仪实物图.演示仪由磁场系统、感应线圈、热磁发电材料、冷热源、电流表等组成[7－8].具体如下：

1)磁场系统为包头稀土研究院制作的钕铁硼圆柱形永磁体磁场，长度20cm，内直径9cm，外直径20cm，最大磁感应强度B＝0.8T，其作用是使磁热发电材料达到饱和磁化.

2)冷源采用自来水.热源采用家用热水器，其最高温度大约80℃.这个温度与工业余热温度接近.利用数控电子开关使冷水和热水交替通过塑料管中的热磁发电材料，材料冷热发生周期性变化.

3)感应线圈为自制，线圈匝数为2000，电阻为218Ω.用微安表测量线圈中的感应电流.线圈平面要垂直磁场方向放置.

4)热磁发电材料.用线切割机将材料切成1.5mm厚的薄片，用防水胶粘成层状结构中间并留有空隙，以提高其与水接触面，加快热交换速度.使材料瞬间受冷、受热.粘好热磁发电材料封入塑料管.

图2 热磁发电演示仪原理图

图3 热磁发电演示仪实物图

当线圈匝数N＝2000，外磁场μ0H＝0.8T，热水温度t＝80℃，冷水温度t＝20℃时，配比为Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63样品质量分别为 100，150，200g，测得最大电流分别为9，14，32μA.感应电流随样品质量m增加而增大.

4 结束语

本文研制了简易热磁发电演示装置，演示了MnFe(P，Si)化合物的热磁发电性能.实验表明通过处于磁场中热磁材料冷热变化，将内能转化为电能是可行的.尽管该项研究还处于初步阶段，但本文的工作对利用工业余热和太阳能发电具有意义.

[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]杜晓波，孙昕，张志杰，等.磁熵变测量实验装置[J].物理实验，2012，32(12)：27－28.

[4]李莉君，倪凯，熊永红.电磁感应与磁悬浮实验研究[J].物理实验，2013，33(1)：30－31.

[5]戴道生，钱昆明.铁磁学(上册)[M].北京：科学出版社，1987：50－52.

[6]哈斯朝鲁，宋志强，刘雨江，等.Mn1.28Fe0.67P1－xSix化合物的磁热效应[J].内蒙古师范大学学报：自然科学汉文版，2012，41(1)：42－45.

[7]毕力格，特古斯，伊日勒图，等.一级相变材料Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6热磁发电性能[J].物理学报：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).