对一道磁流体发电机题的质疑

《对一道磁流体发电机题的质疑》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、对一道磁流体发电机题的质疑　　【摘要】高考复习资料中经常出现关于磁流体发电机的练习题，目的是考察带电粒子在复合场中的运动及恒定电流的计算等知识，其中电流的计算过程该文认为是错误的，文章就错误原因与正确解法进行了论述。　　【关键词】磁流体练习题错误原因正解　　【中图分类号】G633.7【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2013）09-0159-01　　磁流体发电作为一项发电新技术，倍受人们重视，关于磁流体发电机的习题也常出现在高中物理许多教辅资料中，但有一类与之有关的题目笔者认为解答有误。　　题目及原解：如图1所示，为实验室磁流体发电机原理图，两极板间距d=20cm，

2、磁场的磁感应强度B=5T，现沿垂直于磁场方向喷入等离子体，若接入额定功率P=100W的灯泡，闭合开关S，灯泡恰好正常发光，且正常发光时电阻R=100Ω，不计发电机内阻。　　求：（1）等离子体的流速是多大？（2）若等离子体均为一价离子，每秒钟有多少个什么样的离子打在下极板上？　　笔者认为，第二问的解法中把电流按一半去求离子数是讲不通的，最后结果是错误的。4　　错误分析：两极板相当于电源，通过灯泡的电流为1A，则电源内部（即两极板间）的电流也为1A，由于等离子体中的正离子向上运动，负离子向下运动，均能形成自下而上的电流，故每种离子产生的电流为1/2A。　　正确结果：第二问计算打在极板

3、上的离子数目时，应直接代入由外电路算出的电流，不能再除2。上题中每秒钟打在上、下极板上的离子数目应均为6.25×1018个。　　论证：磁流体发电机是利用电磁感应原理将内能转化为电能，两极板相当于电源的两极，两板中间部分相当于电源内部，气体或液体在高温下电离，形成含有等量异种电荷的等离子体。中性原子电离时产生自由电子和带正电的离子（如钾原子电离产生的是一价钾离子和电子），喷入磁场中的两种离子受到洛仑兹力而发生偏转，如图2中正离子向上偏，电子向下偏，上极板积累了正电荷，下极板积累了负电荷，在两板间形成电场E。若外电路断开，随着电荷的不断积累，极板间场强不断增大，离子所受电场力和洛仑兹

4、力相等时，后面进入的等离子体不再偏转而沿直线射出。此时两板间电势差U=Bdv，两极板作为电源时电动势E=Bdv。　　接通外电路后，两板通过外电路放电，形成电流对负载供电，两板上的电荷量减少，板间场强减小，离子受力平衡被破坏，射入的等离子体在洛仑兹力和电场力的共同作用下做曲线运动而继续偏转，极板间离子的分布可用图2近似表示（离子的运动轨迹不是圆弧）。设曲线AC是从下极板边缘射入的正离子向上极板偏转时的轨迹，BD是从上极板边缘射入的负离子向下极板偏转的轨迹，由于离子边向前运动边向两侧偏转，在曲线AC右下方已经没有正离子，曲线BD右上方已经没有负离子。4　　假定喷入的等离子体全部打在两

5、板上，从两板中线上看，向上通过中线的正离子只占喷入正离子数的一半，向下通过中线的负离子也占喷入的负离子数的一半。若在距上板1/3处画一条线，则某一时刻向下通过此线的负离子占进入磁场的负离子总数的1/3，向上通过该线的正离子占进入磁场的正离子总数的2/3，即通过此线的离子总数仍等于磁场中正或负离子数。离子到达两极板时，在正极板处已没有负离子而全是正离子，在负极板处也没有正离子而全是负离子，形成电流的离子只能按一种计算，故上题中每秒打在两极板上的离子数目均为6.25×1018个。　　从电源外部看，金属导线把用电器与两极板连接形成外电路，而在导线中能自由移动的只有电子，积累到正极板的正

6、离子不能沿导线移动形成电流，只有积累到负极板上的自由电子在电场力作用下沿金属导线定向移动，形成电流通过用电器，要在用电器中产生1A的电流，必须每秒钟要有6.25×1018个电子通过。电子通过用电器后到达正极板与正离子又结合成中性原子，因此每秒钟打在两个极板上的离子数目均为6.25×1018个。　　若等离子体是二价正离子和电子，则电子数为正离子数目的2倍，打在负极板上的电子数也应为打在正极板上正离子数的2倍。　　。　　与上题相似的题目也不少，解答过程也相似。如下例：4　　例：磁流体发电机的原理如图所示（见图1，上极板为甲、下极板为乙），设想在相距为d的两平行金属板间有磁感应强度为B

7、的匀强磁场，两板通过开关和灯泡相连，将气体加热，使之电离，由于正负离子一样多，且带电荷量均为q，因而称为等离子体，将其以速度v喷入甲、乙两板之间，这时甲、乙两板就会聚集电荷，产生电压，这就是磁流体发电机原理，它可以直接把内能转化为电能，则：　　（1）图中哪个极板是发电机的正极？　　（2）发电机的电动势多大？　　（3）设喷入两极板间的离子流每立方米有n个负电荷，离子流的截面积为S，则发电机的最大功率多大？　　功率为Pm=ImU=2ndqSBv2。　　显然，此题的第（3）问求电流时仍