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电磁流量计

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电磁流量计与霍尔元件、磁流体发电机的原理对比分析

来源:作者:发表时间:2016-10-27 10:10:44

【摘 要】霍尔元件、磁流体发电机、电磁流量计有着非常相似的工作原理,最终的动态平衡都是洛伦兹力等于电场力,学生容易混淆。针对此问题,对霍尔元件、磁流体发电机、电磁流量计进行对比分析,让学生更具体掌握这三种电子仪器的异同。

  一、霍尔元件

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  如图1 所示,一块高为h、宽为d、长为a的金属片,存在外加磁场B作用下,当有电流流过时,在金属片上下表面形成电压,这种现象称为霍尔效应,此电压称为霍尔电压。
  推导霍尔电压可以用到以下几个技巧。
  (1)画出平面图,画图时眼睛顺着磁场的方向,如图2。 未s题-2.gif
  (2)金属片中的电流是由于电子的定向移动而形成的。
  (3)与电流垂直的横截面积为hd。
  运动电子受洛伦兹力的作用而偏向上表面,使该表面形成电子的积累,出现了正电荷。这样,在两表面间就形成了一个电场,因此运动电子在受到洛伦兹力的同时,又受到电场力的作用,最后当这两力大小相等时,电子的积累达到动态平衡,这时金属片两侧上下表面之间建立的电场称为霍尔电场,相应的电压称为霍尔电压。
  推导霍尔电压的过程:
  QQ截图20161027101326.jpg
   二、磁流体发电机

磁流体发电机的原理示意图未标dfg题-4.gif


  磁流体发电机的示意图如图3所示,它由燃烧室(O)、发电通道(E)和偏转磁场B组成,在很高的温度(大约超过2000℃)下,燃料与氧化剂在燃烧是混合,燃 烧后,电离为正负离子(即等离子体),并以几百米的高速奔入磁场,在洛伦兹力的作用下,正、负离子分别向向上、下极板偏转,两级板因聚集正、负电荷而产生向下的电场。这时,等离子体受到方向相反的洛伦兹力和电场力的作用。当场力小于洛伦兹力时,离子继续偏转,两极板间的电势差随之增大,直到电场力等于洛伦兹力(即达到动态平衡),离子匀速通过磁场,两极板的电势差达到最大值。
  分别从微观和宏观两个方面推导电源电动势:
  在微观方面可以把离子的运动看成微观粒子的运动。现设极板的长为a,宽为b,两极板的间距为d,当达到动态平衡时即QQ截图20161027101834.jpg
  在宏观方面可以把离子的运动看成长为d导体棒以速度v切割磁感线,产生的感应电动势E=Bdv为即为磁流体发电机的电动势。
  QQ截图20161027101845.jpg当外电路接了阻值为R的电阻,其等效电路如图4所示,电源的内阻,其中为等离子体的电阻率,电路中的电流,电阻R获得的电压。
  三、电磁流量计

电磁流量计工作原理图


  电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(在单位时间内通过管内横截面的流体的体积)。电磁流量计的示意图如图5所示,它由导电液体的输送管道、偏转磁场和流量传感器组成。现设管道的内径为、长度为L,导电液体的电阻率为。管道中的导电液体有流动的正负离子,运动中它们都将受到洛伦兹力的作用,向管壁的左右两侧运动,因此管壁两侧会形成电场,便出现了电动势,随着两侧电荷的积累,最终后续的离子达到洛伦兹力等于电场力,正负离子不再往左右移动,管壁上的正负电荷不再增加。此时有,得即为管道两侧的电动势。再根据流量计的定义,可得。若在管外左右两表面分别于一串联了电阻R的电流表的两端相连,并测得电流为I,则有,其中为导电液体的电阻。因此。
  四、三种电子仪器的比较

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