10.5. ТОКИ ФУКО
Как указано в § 10.1, при движении проволоки в магнитном поле генерируется электрическое напряжение. Теперь рассмотрим электрический ток, который наводится в проводящей пластине, когда она движется в неравномерном магнитном поле.
Пластину из металла или какого-либо иного проводящего вещества можно представить как совокупность полос или прово лок, расположенных рядом. Если перемещать пластину в магнит ном поле, то в каждой из таких полос будет генерироваться напряжение точно так же, как оно генерировалось бы при анало гичном перемещении отдельной полосы или проволоки. В случае равномерного магнитного поля напряжение каждой полосы будет иметь равную абсолютную величину и противоположную поляр ность по отношению к другим полосам. Поэтому в такой плас тине, движущейся в равномерном магнитном поле, не возникает электрических токов. Если же поле является неравномерным, то напряжения, наводимые в разных полосах, не будут равны между собой, и полоса с относительно малым напряжением мо жет служить в качестве замыкающей ветви для тока, генери руемого под влиянием полосы с большим напряжением, при этом в проводящей пластине, перемещающейся в неравномерном магнитном поле, начинают течь электрические токи.
Электрические токи, наводимые в проводящей пластине при вышеописанных условиях, называются токами Фуко. Иногда их называют вихревыми токами, однако последний термин, повидимому, следовало бы применять только к таким токам, кото рые наводятся в результате изменения самого поля, а не дви жения проводника.
Рис. 10.5. Токи Фуко. Если про водящее тело перемещается из области с одной магнитной ин дукцией в область с другой маг нитной индукцией, то в этом теле наводятся электрические токи
Как установлено Ленцем, при любом движении, вызывающем появление электрического тока, возникают силы, противодейству ющие этому движению. Демпфирование Фуко обусловлено си лой, направленной противоположно скорости движения прово дящей пластины в неравномерном магнитном поле. Схема на рис. 10.5 иллюстрирует действие маятника Фуко, у которого может быть предусмотрена любая степень демпфирования, в том числе критическая.
10.6. ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
Явления, происходящие в проводниках, движущихся в маг нитном поле, можно использовать для контроля за течением жид кого металла. В данном случае силовые линии магнитного поля пересекаются не твердым телом — диском или проволокой, а текущей жидкостью.
Жидкие металлы содержат очень большое число свободных электронов, которые служат носителями заряда. Таким образом, электроны свободно движутся через объем жидкости и испыты вают воздействие только сил электрического поля, если распре деление электронов в пространстве становится неравномерным.
Носители заряда в жидкости подвержены действию сил Ло ренца, когда они перемещаются в магнитном поле вследствие
Рис. 10.6. Течение жидкого металла. Направления движения электронов, внеш него магнитного поля и генерируемого электрического поля взаимно ортогональны:
• — электро»
Рис. 10.7. Магнитный расходомер. Если в магнитном поле течет магнитная жидкость, то в ней устанавливается градиент электрического потенциала. Электроды, расположенные на прямой, перпендикулярной как направлению маг нитного поля, так и направлению течения жидкости, будут измерять напряжение, пропорциональное скорости течения
течения жидкости. Эти силы толкают электроны в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате, как показано на рис. 10.6, концентрация электронов на одной стороне потока жидкости становится больше, чем на другой. Напряжение, возникающее из-за этого концентрационного гра диента, уравновешивает силы Лоренца, обусловленные течением жидкости, причем напряжение пропорционально скорости течения жидкости.
Принцип действия магнитного расходомера, применяемого на практике, иллюстрируется на рис. 10.7. Жидкость течет в изоли рованной немагнитной трубе, проходящей через воздушный зазор в магнитной цепи постоянного магнита. Введенные в жидкость электроды, расположенные вдоль прямой, перпендикулярной как направлению течения, так и направлению магнитного поля, отводят напряжение, которое пропорционально средней скорости течения жидкости и ширине зазора между электродами.
10.7. ТЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТА
Силы Лоренца создают градиенты электрического потенци ала в любой проводящей жидкости, текущей через магнитное поле, вследствие неравномерности пространственного распре деления носителей заряда.
В жидких металлах носителями заряда являются электроны, движущиеся в жидкости, проходящие через поверхность раздела между жидкостью и твердым электродом и продолжающие пере мещаться во внешней измерительной цепи. В неметаллических жидкостях носителями заряда являются ионы. В отношении элек трического заряда распределение ионов, показанное на рис. 10.8, эквивалентно распределению электронов, показанному на рис. 10.6.
Электрическое
поле А
Течение
жидкости ееееееееееееее©
еееееееевееееее
е©в©е©а#е©е©е$в
© Ф в © в Ф ^ Ф © в Ф Ф в Ф Ф
Электролит
Рис. 10.8. Течение электролита. Направления движения ионов-носителей, внеш него магнитного поля и генерируемого электрического поля взаимно ортого нальны:
ф — положительный ион; © — отрицательный ион
Однако ионы не могут преодолевать поверхности раздела между жидкостью и твердым телом. Вследствие этого прохожде ние даже ничтожно малого тока, необходимого для работы измерительной цепи, сопровождается накоплением ионов на каж дом электроде. На одном электроде накапливаются положи тельные ионы, на другом — отрицательные. Такое накопление ионов называется поляризацией. В результате поляризации на поверхностях раздела создаются градиенты потенциала, препят ствующие протеканию измерительного тока. Кроме того, поля ризация компенсирует силы Лоренца, тем самым подавляя вы ходной сигнал.
Эффект блокировки тока за счет поляризации ослабляется, если используется переменное магнитное поле вместо постоян ного. Такое переменное поле должно иметь соответствующий короткий полупериод колебаний, чтобы направление поля меня лось достаточно быстро, ограничивая возможность накопления ионов на электродах. В то же время переменные магнитные потоки с высокой частотой могут наводить в разных частях изме рительной цепи значительные напряжения. Они обычно вызы вают искажения полезного сигнала и приводят к тому, что на выходе измерительной цепи регистрируется ненулевое напряже ние, когда расход жидкости равен нулю. Если же для устранения этой погрешности смещения нуля в цепь подается специальное компенсирующее напряжение, то это напряжение, по всей вероят ности, будет велико по сравнению с сигналом, характеризу ющим расход жидкости; поэтому основным источником погреш ности измерения может оказаться нестабильность компенсирую щего напряжения.
Кроме того, при переменном магнитном поле выходное напряжение прибора зависит от диэлектрических характеристик жидкости, как и от скорости течения. Напряжение смещения нуля с заданной фазой и амплитудой само по себе не может скомпенсировать изменения как для диэлектрической проницае мости, так и для наведенного напряжения.
10.8. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ
Для того чтобы получить напряжение Лоренца, как описано в предыдущих параграфах, пригодны проводящие жидкости любого типа. В то же время для газов, которые почти не про водят электрический ток, обусловливая большой импеданс источника, очень трудно выделить полезный сигнал. Однако ситуация существенно меняется, если нагреть газ до такой тем пературы, чтобы он превратился в плазму. В плазме электроны отрываются от молекул, в результате чего ее можно представить как. бурлящую массу перемешанных между собой свободных электронов и положительных ионов. Как показано на рис. 10.9,
Течение
жидкости
Рис. 10.9. Магнитогидродинамическое течение. Между направлениями движения носителей, внешнего магнитного поля и электрического поля, обусловленного градиентами плотности распределения ионов и электронов, существует соотно
шение ортогональности:
• — электрон; ф — положительный нон
эти частицы-носители можно соответствующим образом разде лить при помощи сил Лоренца.
Удельная электрическая проводимость плазмы намного боль ше, чем любого металла. Поэтому передаточная функция между скоростью течения и выходным напряжением обеспечивает высо кую эффективность описанного метода при использовании его в энергетических установках. Основной проблемой здесь явля ется создание и хранение высокотемпературной плазмы.
Расположение отводящих электродов в таких системах опре деляется принятым способом отведения силовых токов. В за висимости от этого способа магнитогидродинамические генера торы подразделяются на два типа.
Вмагнитогидродинамическом генераторе Фарадея ток течет под влиянием напряжения Лоренца, приложенного в направлении, перпендикулярном направлению течения плазмы. В установке предусматривают несколько пар электродов, расположенных вдоль линий, перпендикулярных направлению течения плазмы, причем каждая пара электродов подает напряжение на отдель ную нагрузку.
Вмагнитогидродинамическом генераторе Холла ток течет под влиянием напряжения Холла, приложенного в направлении, перпендикулярном току Лоренца. В этом случае генерируемое напряжение представляет собой векторную сумму напряжений Холла и Лоренца. Отводящие электроды устанавливаются наклон но по отношению к направлению течения плазмы, а их выходные напряжения, включенные последовательно, подаются на одну общую нагрузку,