磁流體發(fā)電機模型的制作與實驗

肖永強 徐興花

摘要:介紹一種磁流體發(fā)電機模型的制作流程及實驗方法。

關(guān)鍵詞:磁流體發(fā)電機;模型;制作實驗

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2009)11(S)-0056-3

1 實驗原理

磁流體發(fā)電,是將帶電的流體(離子氣體或液體)以極高的速度噴射到磁場中去,利用磁場對帶電的流體產(chǎn)生的作用,從而發(fā)出電來。高中新課程教材《選修3-1》和各類教輔資料均有介紹。本教具以飽和NaNO₃溶液為流體以一定的流速進入強磁場,利用電荷在磁場中受洛倫茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)至兩金屬銅極,發(fā)出電來,從而彌

補高中物理演示實驗教具的空白。

2 實驗器材

釹鐵硼強磁鐵、金屬銅片、透明有機玻璃、飽和NaNO₃溶液、微安表或數(shù)字式萬用表、玻璃管、橡皮塞、導(dǎo)線、洗瓶。

3 制作流程

(1)利用有機玻璃的透明性制作磁流體發(fā)電機實驗平臺,電解質(zhì)溶液槽1個、回收槽2個,制作過程中需用三氯甲烷(氯仿)進行粘合,如圖1所示;

(2)選取8.5cm×1.0cm×0.5cm金屬銅條兩片,在一端由導(dǎo)線引出兩極,方便連接微安表或數(shù)字式萬用表,如圖2所示;

(3)淘寶網(wǎng)購置釹鐵硼強磁鐵兩塊,尺寸為8.0cm×6.3cm×1.0cm;

(4)制作用于隔離兩磁鐵和安插銅條的機盒,長與寬由磁鐵決定,厚度由銅條寬度決定,如圖3所示;

(5)配制飽和NaNO₃溶液以替代高溫高壓等離子體。

4 操作步驟

(1)按照制作流程中所制器材安裝實驗?zāi)Ｐ?安裝后裝置如圖4所示;

(2) 微安表的兩極或數(shù)字式萬用表的兩個表筆與兩銅條接線柱相連接,并將數(shù)字式萬用表打至毫安檔或微安檔;

(3)將已配制的飽和NaNO₃溶液倒入電解質(zhì)溶液槽中,打開閥門,通過玻管經(jīng)兩銅條流入回收槽;

(4)通過回收槽交替?zhèn)鲃?使飽和NaNO₃溶液得以持續(xù)流動;

(5)觀察微安表或數(shù)字式萬用表的示數(shù)變化情況;

(6)拆卸實驗裝置,清洗擦干。

5 實驗結(jié)論

測得的實驗數(shù)據(jù)顯示,銅條兩端所測電壓最大值可達60mV,微安表示數(shù)最大值可達50μA,并實驗可重復(fù)操作。

6 模型優(yōu)點

(1)本實驗裝置均屬原創(chuàng):更重要的是彌補高中物理演示實驗教具的空白;

(2)實驗選材簡單、環(huán)保:選取的實驗材料均屬常見材料,制作簡單,環(huán)保;

(3)實驗操作安全可重復(fù):操作過程中不存在安全隱患,符合演示實驗的安全性原則,并且實驗可以重復(fù)操作;

(4)實驗可視程度高且廣:由于本教具采用透明的有玻璃制作,視角大且可視程度高,消除了學生頭腦中對磁流體發(fā)機的神秘感,使實驗教具做到平民化;

(5)實驗結(jié)果明顯、可靠:測得的實驗數(shù)據(jù)顯示,銅條兩端所測電壓最大值可達60mV,微安表示數(shù)最大值可達50μA,并且每次實驗均能成功;

(6)可以由學生獨立操作:本實驗另一個亮點便是學生可以獨立自主操作,實現(xiàn)學生D.I.Y.。

7 幾點釋疑

(1)質(zhì)疑實驗數(shù)據(jù)可靠性?

在電解質(zhì)溶液自身流動過程中,可能形成微電流,本實驗數(shù)據(jù)可能存在失真現(xiàn)象。筆者通過數(shù)字式萬用表表筆探測了電解質(zhì)流體可能形成的微電流數(shù)據(jù),將萬用表選擇微安檔時,顯示屏有示數(shù)跳動,但從未超過1μA,且與直接打至數(shù)字式萬用表微安檔顯示相同,說明此時的兩組數(shù)據(jù)均為不可靠數(shù)據(jù),而磁流體實驗中,最大值可達50μA,即實驗結(jié)果明顯可靠。

(2)實驗中的流體為何選用飽和NaNO₃溶液而非飽和NaCl溶液?

實驗中之所以選用飽和NaNO₃溶液為流體,是為了防止在使用飽和NaCl溶液為流體過程中因銅條接線處材料質(zhì)地不同而引起電解反應(yīng),實驗過程產(chǎn)生氯氣,污染環(huán)境,進而實現(xiàn)這個實驗的環(huán)保性。

(3)為何利用回收槽人工傳接電解質(zhì)溶液?

本實驗在原先操作過程中,還設(shè)有水泵將流體形成自動環(huán)流裝置,但在教學演示過程中出現(xiàn)了兩個問題:一是水泵帶動需要電源,有學生懷疑檢測電表的示數(shù)可能是電源造成的;二是溶液形成環(huán)流會給學生造成“永動機”可能的假象,使教學重點發(fā)生轉(zhuǎn)移,不利課堂教學。為此,利用兩回收槽交替?zhèn)鲃?使教學重點突出,實驗環(huán)節(jié)保持原生態(tài)。

參考文獻:

[1]普通高中課程標準實驗教科書《物理》必修.北京:人民教育出版社

(欄目編輯王柏廬)