Номер 3.43, страница 59 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Сила Лоренца - номер 3.43, страница 59.

Условие.

3.43. На рисунке 3.20 показана схема устройства магнитогидродинамического генератора (МГД-генератор). Объясните назначение основных элементов и принцип действия установки.

Рис. 3.20

Решение.

Магнитогидродинамический (МГД) генератор — это устройство для прямого преобразования внутренней и кинетической энергии электропроводящей жидкости или газа (плазмы) в электрическую энергию. Рассмотрим назначение его элементов и принцип действия.

Назначение основных элементов

В состав МГД-генератора, показанного на схеме, входят следующие основные элементы:

1. Камера сгорания, топливо и окислитель: В камере сгорания сжигается топливо (например, природный газ) в среде окислителя (например, воздух, обогащенный кислородом). Для увеличения электропроводности в продукты сгорания добавляют специальную присадку с низким потенциалом ионизации (например, соли калия или цезия). В результате образуется высокотемпературная (2500–3000 K) ионизированная среда — плазма, которая состоит из нейтральных атомов, положительных ионов и свободных электронов.

2. Сопло и канал генератора: Из камеры сгорания плазма поступает в канал переменного сечения (сопло), где она расширяется и ускоряется до высоких скоростей (часто сверхзвуковых, порядка 1000 м/с).

3. Магнитная система: На схеме ее наличие обозначено вектором магнитной индукции $\vec{B}$. Эта система (обычно мощные электромагниты) создает сильное магнитное поле, направленное перпендикулярно движению потока плазмы.

4. Электроды: Две проводящие пластины, установленные на стенках канала. Они расположены перпендикулярно как вектору скорости плазмы $\vec{v}$, так и вектору магнитной индукции $\vec{B}$. Их назначение — собирать разделенные магнитным полем заряженные частицы и служить клеммами для подключения внешней электрической нагрузки.

Ответ: Назначение элементов МГД-генератора заключается в создании высокоскоростного потока электропроводной плазмы и последующем разделении положительных и отрицательных зарядов в этом потоке с помощью магнитного поля для генерации электрического тока на электродах.

Принцип действия установки

Принцип действия МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Поток плазмы, будучи движущимся проводником, пересекает линии магнитного поля. В результате на заряженные частицы плазмы (положительные ионы и электроны) начинает действовать сила Лоренца.

Величина силы Лоренца определяется формулой $\vec{F_Л} = q(\vec{v} \times \vec{B})$, где $\text{q}$ — заряд частицы, $\vec{v}$ — ее скорость, $\vec{B}$ — вектор магнитной индукции. Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки (для положительных зарядов) и зависит от знака заряда.

В соответствии со схемой, вектор скорости $\vec{v}$ направлен горизонтально вправо, а вектор магнитной индукции $\vec{B}$ — перпендикулярно плоскости рисунка, от наблюдателя. Применяя правило левой руки:

• На положительные ионы ($q > 0$) действует сила Лоренца $\vec{F_Л}$, направленная вверх, к верхнему электроду.
• На электроны ($q < 0$) действует сила Лоренца $\vec{F_Л}$, направленная в противоположную сторону, то есть вниз, к нижнему электроду.

Из-за этого разделения зарядов верхний электрод приобретает положительный потенциал, а нижний — отрицательный. Между электродами возникает разность потенциалов (ЭДС). Если к электродам подключить внешнюю цепь (потребителя электроэнергии), то в цепи потечет постоянный электрический ток. Таким образом, происходит прямое преобразование внутренней и кинетической энергии плазмы в электрическую, минуя стадию механического движения, как в традиционных турбогенераторах.

Ответ: Принцип действия МГД-генератора основан на разделении заряженных частиц (ионов и электронов) в движущемся потоке плазмы под действием силы Лоренца в поперечном магнитном поле. Это разделение приводит к возникновению разности потенциалов на электродах и генерации электрического тока во внешней цепи.