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      熱磁發(fā)電演示儀

      2014-05-07 11:32:22劉忠深特古斯
      物理實(shí)驗(yàn) 2014年2期
      關(guān)鍵詞:磁化強(qiáng)度磁通量感應(yīng)電流

      劉忠深,特古斯

      (1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010022;2.德惠市第八中學(xué),吉林 德惠130323)

      1 引 言

      熱磁發(fā)電是直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)不僅可以利用工業(yè)的余熱發(fā)電,而且對探索新型發(fā)電技術(shù)具有非常重要意義.19世紀(jì)特斯拉和愛迪生都對熱磁發(fā)電進(jìn)行了研究,并且發(fā)明制造了自己的熱磁發(fā)電機(jī)模型.但是受到當(dāng)時(shí)發(fā)電磁性材料和驅(qū)動磁場的限制,未能將其應(yīng)用于實(shí)際.近年來,在磁熱效應(yīng)材料研究探索中,人們發(fā)現(xiàn)了MnFe(P,As)化合物具有巨磁熱效應(yīng)[1],后來Cam Thanh等人[2]發(fā)現(xiàn)用Si替代As的MnFe(P,Si)系列化合物也具有較大的磁熱效應(yīng).筆者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)MnFe(P,Si)系列化合物符合磁熱發(fā)電條件,即該材料在居里溫度附近磁化強(qiáng)度發(fā)生巨變.本文主要報(bào)道了一級相變材料MnFe(P,Si)的熱磁發(fā)電性能,并介紹利用該材料的熱磁性能設(shè)計(jì)制作的熱磁發(fā)電演示裝置.

      2 熱磁發(fā)電原理

      根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,通過閉合回路磁通量發(fā)生變化,在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流.通常的發(fā)電機(jī)是通過磁場和線圈的相對運(yùn)動,改變穿過線圈的磁通量,在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流.熱磁發(fā)電中磁場和線圈都固定不動,利用處于磁場中材料冷熱變化引起磁化強(qiáng)度M變化,使得通過線圈的磁通量發(fā)生變化,在回路中產(chǎn)生交變感應(yīng)電流.熱磁發(fā)電材料受熱溫度升高,當(dāng)溫度高于居里溫度,磁通量減小,材料中電子自旋磁矩由原來的有序排列變得雜亂無章[3],從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)化為順磁態(tài),磁化強(qiáng)度M瞬間減小到零.降溫時(shí)磁熱發(fā)電材料中電子自旋磁矩由雜亂無章排列變?yōu)橛行蚺帕校?dāng)溫度低于居里溫度時(shí),磁通量增加,從順磁態(tài)轉(zhuǎn)化為鐵磁態(tài),磁化強(qiáng)度M瞬間由零增大到飽和值.熱磁發(fā)電演示儀線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢用E[4]可表示為

      式中,N為線圈匝數(shù),Δφ為磁通量變化,Δt為磁通量變化所用時(shí)間.磁化強(qiáng)度M[5]可表示為

      式中,n為磁性原子數(shù),BJ(α)為布里淵函數(shù).當(dāng)線圈中放入質(zhì)量為m的磁熱發(fā)電材料產(chǎn)生的感應(yīng)電流為

      式中,N為線圈匝數(shù),S為線圈面積,ρ為磁性材料密度,R為總電阻,為磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化率.

      3 結(jié)果與討論

      3.1 MnFe(P,Si)化合物的制備

      使用稱重軟件按非化學(xué)計(jì)量比計(jì)算出總質(zhì)量為100g,4種單質(zhì)Mn,F(xiàn)e,P,Si各自的質(zhì)量,所用原料純度為99%以上.將所稱原料放入球磨罐中,在真空手套箱中抽成真空充入氮?dú)獗Wo(hù)密封后,使用德國產(chǎn)高性能四星型球磨機(jī)(Pulverisette-5)球磨6h.再將100g樣品在10t壓力下等靜壓20min成形,然后放入退火爐中,在流動氬氣保護(hù)下1373K的高溫?zé)Y(jié)2h后自然冷卻至室溫.經(jīng)X射線衍射檢測,樣品形成Fe2P-型六角結(jié)構(gòu)單相[6].

      3.2 MnFe(P,Si)化合物的磁性

      圖1為50mT磁場下Mn1.2Fe0.8P1-xSix化合物的M-T曲線圖.圖1顯示Mn1.2Fe0.8P1-xSix化合物升溫M-T曲線和降溫M-T曲線不重合,存在熱滯現(xiàn)象,說明相變?yōu)橐患壪嘧?根據(jù)M-T圖確定樣品的居里溫度TC,并列于表1中.居里溫度處于327~348K之間,跟工業(yè)余熱溫度接近,滿足熱磁發(fā)電的要求.

      圖1 Mn1.2Fe0.8P1-xSix 化合物磁化強(qiáng)度M隨溫度T的變化

      表1 Mn1.2Fe0.8P1-xSix 化合物的居里溫度及熱滯溫度

      3.3 熱磁發(fā)電演示儀設(shè)計(jì)與制作

      圖2為熱磁發(fā)電演示儀結(jié)構(gòu)原理圖.圖3為熱磁發(fā)電演示儀實(shí)物圖.演示儀由磁場系統(tǒng)、感應(yīng)線圈、熱磁發(fā)電材料、冷熱源、電流表等組成[7-8].具體如下:

      1)磁場系統(tǒng)為包頭稀土研究院制作的釹鐵硼圓柱形永磁體磁場,長度20cm,內(nèi)直徑9cm,外直徑20cm,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.8T,其作用是使磁熱發(fā)電材料達(dá)到飽和磁化.

      2)冷源采用自來水.熱源采用家用熱水器,其最高溫度大約80℃.這個(gè)溫度與工業(yè)余熱溫度接近.利用數(shù)控電子開關(guān)使冷水和熱水交替通過塑料管中的熱磁發(fā)電材料,材料冷熱發(fā)生周期性變化.

      3)感應(yīng)線圈為自制,線圈匝數(shù)為2000,電阻為218Ω.用微安表測量線圈中的感應(yīng)電流.線圈平面要垂直磁場方向放置.

      4)熱磁發(fā)電材料.用線切割機(jī)將材料切成1.5mm厚的薄片,用防水膠粘成層狀結(jié)構(gòu)中間并留有空隙,以提高其與水接觸面,加快熱交換速度.使材料瞬間受冷、受熱.粘好熱磁發(fā)電材料封入塑料管.

      圖2 熱磁發(fā)電演示儀原理圖

      圖3 熱磁發(fā)電演示儀實(shí)物圖

      當(dāng)線圈匝數(shù)N=2000,外磁場μ0H=0.8T,熱水溫度t=80℃,冷水溫度t=20℃時(shí),配比為Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63樣品質(zhì)量分別為 100,150,200g,測得最大電流分別為9,14,32μA.感應(yīng)電流隨樣品質(zhì)量m增加而增大.

      4 結(jié)束語

      本文研制了簡易熱磁發(fā)電演示裝置,演示了MnFe(P,Si)化合物的熱磁發(fā)電性能.實(shí)驗(yàn)表明通過處于磁場中熱磁材料冷熱變化,將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能是可行的.盡管該項(xiàng)研究還處于初步階段,但本文的工作對利用工業(yè)余熱和太陽能發(fā)電具有意義.

      [1]Tegus O,Brück E,Buschow K H J,et al.Transition-metal-based magnetic refrigerants for roomtemperature applications[J].Nature,2002,415:150-152.

      [2]Cam Thanh D T,Brück E,Trung N T,et al.Structure,magnetism and magnetocaloric properties of MnFeP1-xSixcompounds[J].Appl.Phys.,2008,103:07B318-3.

      [3]杜曉波,孫昕,張志杰,等.磁熵變測量實(shí)驗(yàn)裝置[J].物理實(shí)驗(yàn),2012,32(12):27-28.

      [4]李莉君,倪凱,熊永紅.電磁感應(yīng)與磁懸浮實(shí)驗(yàn)研究[J].物理實(shí)驗(yàn),2013,33(1):30-31.

      [5]戴道生,錢昆明.鐵磁學(xué)(上冊)[M].北京:科學(xué)出版社,1987:50-52.

      [6]哈斯朝魯,宋志強(qiáng),劉雨江,等.Mn1.28Fe0.67P1-xSix化合物的磁熱效應(yīng)[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)漢文版,2012,41(1):42-45.

      [7]畢力格,特古斯,伊日勒圖,等.一級相變材料Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6熱磁發(fā)電性能[J].物理學(xué)報(bào):2012,61(7):077103-1-077103-4.

      [8]Solomon D.Improving the performance of thermomagnetic generator by cycling the magnetic field[J].Appl.Phys.,1988,63(3):915.

      [9]Tesla N.Pyromagneto-electric generator[P].U.S.Patent,No.428057(1890).

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