由磁流体发电想到的

1、想到由MHD发电【摘要】在教学过程中，从微观角度分析了MHD发电原理，并与导体棒切割的磁感应线进行了比较，发现MHD发电也符合法拉第电磁感应定律。结合安培力的微观解释，进一步探究动生电动势的微观原因，而不是总结磁通变化的实验规律，培养高中生的思维能力。学生从微观角度分析导体环在垂直方向穿过水平径向磁场时的磁通量变化，得出不同的结论。进一步拓展在问题解决中的应用，使物理学习过程充满思辨、想象和发现。穿插物理学史的介绍激发了学生学习物理的兴趣。【关键词】磁流体电磁感应洛伦兹力微观动态电动势法拉第磁流体发电技术是一种将高温气体电离成导电离子流的技术，当“磁流体”高速通过磁场时，会切断磁感应线，产生感

2、应电动势，直接将热能转化为电流，而不是经过从内能到机械能的过程。理论上，发电效率高于传统发电。这项技术也被称为“等离子发电技术”。MHD原理的分析可以锻炼高中生的逻辑推理能力和想象力。从微观角度看，如右图所示，一组带Q电荷的离子以速度V垂直进入磁感应强度为B的均匀磁场。洛仑兹力和正负电荷的偏转方向相反，上下极板积累电荷激发电场。稳定时，有：QE=qvB，当粒子不偏转时，E=Bv，在两个板之间形成均匀电场包括：U=Ed有U=Bdv。在教学过程中，许多学生发现该公式与法拉第电磁感应定律相一致，与导体棒切割磁感应线的电动势表达式相一致。这两者之间有联系吗？如果导体棒切割磁感应线，不难发现导体中的自由

3、电子与棒一起定向运动，而在MHD发电中，等离子体定向运动，切割“MHD”，导电流体起金属线的作用。当然，法拉第电磁感应定律可以完全使用。这时，教师可以提问如何得到电动势的公式Bdv。大多数学生会认为这是法拉第电磁感应定律。然后问为什么磁通量的变化速度可以代表电动势。事实上，法拉第并没有给出解释，而是通过大量实验总结出来的。麦克斯韦对此做出了更好的解释。麦克斯韦在法拉第电磁感应定律的基础上提出了麦克斯韦电磁理论，认为变化的磁场会在空间产生涡流电场，这也是感应电动势的原因。从微观角度来看，MHD发电能给我们带来什么启示？经过思考，杆的电动势的原因是什么？想象力是最大的。导体棒切断磁场，棒中的自由电

4、子类似于磁流体中离子的定向运动，如下图所示。对非常短的导体段的研究包括：当导体水平切割磁场时，自由电子受到洛伦兹力，如图所示，并向下移动。电子在下端积累，更多的正电荷分布在上端，直到分布在棒中的导体棒上的电荷所产生的电场力qE=qvxB具有E=Bv，并且棒两端之间的极短电势差为U=BVd。如果计算整个杆的电压，只需要相加。似乎产生动电动势的根本原因是磁偏转，而产生电能并克服静电力做功的是磁力？洛伦兹力从来不工作？事实上，这并不矛盾。如右图所示，洛伦兹力的合力I与另一种物理情况相比，固定闭合导体环中磁场的变化会产生感应电流。电能从哪里来？有电流和安培力，但没有位移。显然，安培力不起作用。实际上，

5、这是因为变化的磁场在空间中产生涡流电场，涡流电场对导体环中的自由电子起作用并提供能量。从微观角度看，产生动力和感应电动势的原理似乎不同，能量的转换也不同。在解决问题的过程中，从动电动势的微观角度来考虑问题，要优于磁通量的变化角度。如右图所示，导体棒被向右切割，以判断是否有感应电动势。闭环的总面积不变，磁通量也不变，但部分A的磁通量增加，部分B的磁通量减少。学生很难选择闭路电视。如果从动态电动势的微观角度来分析，只要导体棒切断磁感应线，就会有电动势，而不必费心去研究磁通量的哪一部分发生变化。如下图所示，垂直放置的长圆柱形磁体产生中心辐射磁场(磁场水平向外)，并设置与磁体同轴的圆形铝环。铝环的磁感

6、应强度是B，铝环的平面总是水平的，铝环的半径是r。试着找出：(1)当铝环的下降速度是V时，铝环的感应电动势是多少？从磁通量变化的角度来看，磁感应线总是平行于线圈平面，磁通量为0，没有变化也没有感应电动势。从微观角度来看，导体环切割磁感应线，自由电子磁性偏转，这可以“拉直”环形导体。环中的感应电动势为e=BV (2 R)。为什么这两种观点有不同的结论？法拉第通过实验得出结论，“只要通过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。”这是一个正确的结论，但反过来说，不能说“只要有感应电流，磁通量就一定有变化。虽然动生电动势也可以从磁通变化的角度导出，但它往往导致忽略动生电动势和感应电动势在

7、微观角度上的差异。当同一个磁盘旋转切割磁感应线时，磁盘中的磁通量不会改变。学生很难从磁通量的角度理解，但从电动势的角度解释就容易了。这是某城市的质检主题：如下图所示，在垂直面上放置一根长度为L、内壁光滑的薄壁玻璃管，在玻璃管的A端放置一个直径略小于玻璃管直径的小球，球的电荷为-q，质量为m。玻璃管右侧空间有均匀的电场和磁场。均匀磁场的方向垂直于纸面，磁感应强度为b；均匀电场垂直向下，强度为mg/q。电场的左边界平行于玻璃管，右边界足够远。玻璃管以垂直于左边界的水平速度V0进入磁场，并向右移动。由于水平外力的作用，玻璃管以恒定的速度进入磁场。一段时间后，球从玻璃管的B端滑出，在垂直面内自由移动，

8、最后从左边界飞离电磁场。在运动过程中，球的电荷保持不变，不考虑任何阻力。(2)从玻璃管进入磁场到球从B端滑出的过程中，外力F所做的功；这个问题的第二个问题问了学生很多错误，主要是因为洛伦兹力是否起作用。事实上，带电球被认为是“自由电子”，它被认为类似于导体棒的切割磁场。例如，右图中球的垂直分力分析此外，物理学史也可以穿插在教学过程中。例如，法拉第在1832年首次提出了磁流体力学问题。根据海水切割地球磁场以产生电动势的想法，他测量了泰晤士河两岸的电位差，希望测量流速，但由于河水阻力大、地球磁场弱和测量技术差，他未能实现他的目标。1937年，哈特曼根据法拉第的思想，对磁场中的汞流进行了定量实验，并成功地提出了粘性不可压缩磁流体力学流(哈特曼流)的理论计算方法。让学生感受想象在物理学习过程中的重要性，同时体会物理的乐趣。总的来说，MHD发电技术是物理教学的一个很