O příspěvku
PDF ke staženíMagnetohydrodynamický generátor a pohon
Příspěvek popisuje demonstraci magnetohydrodynamického jevu pomocí elektrolytu a ukázku magnetohydrodynamického pohonu.
Magnetohydrodynamický generátor
Magnetohydrodynamický (MHD) generátor slouží k přímé přeměně kinetické energie nebo tepla na elektrickou energii. Základem je rychlý proud tekutiny obsahující volné nabité částice. Protéká-li taková tekutina příčným magnetickým polem, působí na pohybující se nabité částice Lorentzova síla \[\tag{1} \vec{F} = q \cdot \vec{v} \times \vec{B} .\]
Situaci znázorňuje obr. 1. Trubicí obdélníkového průřezu proudí tekutina obsahující kladné a záporné volné částice. Lorentzova síla působí na částice s rozdílným znaménkem náboje opačným směrem. V důsledku se boční stěny trubice nabijí na napětí, při kterém je Lorentzova síla v rovnováze se silou elektrického pole.
Obr. 1: Princip MHD generátoru
Pro velikost magnetohydrodynamického napětí je důležitá velká rychlost tekutiny. Proto se v magneto-hydrodynamických generátorech využívá nejčastěji rychlého proudu plazmy. Lze však také použít elektrolytu či tekutého kovu. Elektrárny pracující na magneto-hydrodynamickém principu jsou zatím ve stadiu prototypů. Jejich malá účinnost nevyvažuje jednoduchost konstrukce bez turbíny.
Demonstrace MHD generátoru naráží na několik potíží. Pokud není rychlost proudění velká, není k dispozici magnetické pole s indukcí několika tesla, je MHD napětí velmi malé. K demonstraci byla sestavena aparatura obsahující otevřený okruh, kterým proudí kapalný elektrolyt a dva permanentní magnety. Otevřený okruh tvoří nádržka na elektrolyt, komůrka s elektrodami a sběrná nádoba – obr. 2. K elektrodám byl připojen citlivý elektronický voltmetr. Jako elektrolyt byl použit koncentrovaný roztok kuchyňské soli. Očekávaná hodnota MHD napětí byla velmi malá: kolem 3 mV. Během prvních pokusů však došlo rozdílnou korozí elektrod k polarizaci elektrod a k vzniku galvanického napětí, které svou velikosti řádově přesahovalo očekávané
Obr. 2: Uspořádání k demonstraci MHD generátoru
MHD napětí (až 70 mV). K potlačení nežádoucího jevu byl použit kompenzační zdroj napětí v zapojení podle obr. 3. Polarita zdroje (monočlánek 1,5 V) byla volena tak, aby byla opačná k polaritě galvanického napětí. Po naplnění komůrky roztokem se zaškrcením dolní hadičky zastavilo proudění a potenciometrem se vykompenzovalo galvanické napětí. Pak se přiložily permanentní magnety a průtok se opakoval. Důkaz, že nyní měřené napětí je napětím MHD, byl proveden otočením obou magnetů. Změnou orientace magnetické indukce došlo k změně polarity MHD napětí. Naměřená hodnota odpovídala přibližnému výpočtu: + 3 mV a –3 mV.
Obr. 3: Kompenzační obvod
Poznámka: Chybou experimentátora je, když před pokusem nezapne spínač kompenzujícícho zdroje. Pak ve snaze zvýšit jeho vliv může přemostit první z rezistorů děliče. Potenciometrem pak zdánlivě kompenzuje, ve skutečnosti pouze téměř zkratuje galvanické napětí. Sníží-li tak galvanické napětí například na 6 mV, je vliv ve stejném poměru sníženého MHD napětí (±0,3 mV) vzhledem k fluktuacím nepozorovatelný.
Magnetohydrodynamický pohon
Magnetohydrodynamický (MHD) pohon je jen rozdílné uspořádání MHD generátoru. Pracovní komora tohoto pohonu je součástí kanálu, ve kterém je tekutina s volně pohyblivými nabitými částicemi. V komoře jsou elektrody a příčné magnetické pole. Když se k elektrodám připojí zdroj stejnosměrného napětí, tekutinou začíná protékat proud. Situaci znázorňuje obr. 4. Kladné částice se v elektrickém poli pohybují vpravo, záporné vlevo. Lorentzova síla proto působí na všechny částice směrem dolů. Nabité částice při svém pohybu strhávají případné neutrální částice a tekutina proudí směrem dolů. Reakce působí na komoru směrem vzhůru. Pokud je komora součástí dopravního prostředku, je touto silou dopravní prostředek poháněn. Protože systém neobsahuje žádné pohyblivé mechanické části je velmi tichý. V tekutině dochází samozřejmě k elektrolýze, proto proudící tekutina může obsahovat bubliny vznikajícího plynu. Popsaný princip se využívá k dopravě tekutých kovů, případně jiných vodivých kapalin. Protože i mořská voda je díky obsahu solí vodivá, lze MHD pohonu využít i k tichému pohonu ponorek. Všichni tento pohon znají ze špionážních filmů, ve kterých pronásledovaná ponorka zmizí ze sonaru díky tomu, že zapne „housenkový“ pohon.
Obr. 4: Princip MHD pohonu
V demonstračním uspořádání by demonstrační plavidlo mohlo obsahovat popsanou komůrku, zdroj elektromotorického napětí a permanentní magnety. Elegantnější je však využití vodivé kapaliny jako součásti galvanického článku. Modelem dopravního prostředku je loďka vyrobená z plastové misky od sýra. Na jejím dně jsou přilepeny dva sletované kovové plíšky: měděný a zinkový. Pokud je tekutinou kyselina sírová, vytvoří se po ponoření Voltův článek, který je zapojen do zkratu. Plechy přitom protéká značný proud, stejně velký proud opačného směru protéká kyselinou. Silný magnet by znamenal velký ponor loďky a velké množství kyseliny. Proto jsou v demonstračním uspořádání (obr. 5) magnety vně loďky i mimo nádobu s kyselinou. Loďka v úzké nádobě (miska pod květinové truhlíky) může vlivem kapilární elevace přirazit ke stěně a tření by zabránilo dalšímu pohonu. Proto jsou na předním a zadním okraji loďky nalepeny drátky, které se pohybují mezi vodícími lištami tvořenými skleněnými trubičkami. Loďka po ponoření (nejlépe ve středu misky, abychom nemuseli přemýšlet o směru proudu a orientaci magnetického pole) pluje k jednomu z kratších okrajů. Je didakticky vhodné otočit loďku na konci nádoby, loďka pluje opačným směrem. Můžeme tak přesvědčit nedůvěřivce, že loďka nejela „z kopce“. Při pohledu zblízka je na nečistotách dobře vidět, že kyselina pod loďkou proudí na opačnou stranu.
Obr. 5: Demonstrace MHD pohonu
Poznámka: Permanentní magnety jsou otočeny stejným pólem vzhůru, proto se odpuzují. Je nutné je upevnit například hřebíky na prkénko.
Literatura
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/MHD_generator