Báo cáo Phân tích hiệu ứng hall và sự ion hoá trong chất khí làm việc của máy phát ðiện từ thuỷ động (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Phân tích hiệu ứng hall và sự ion hoá trong chất khí làm việc của máy phát ðiện từ thuỷ động (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM PHÂN TÍCH HIỆU ỨNG HALL VÀ SỰ ION HOÁ TRONG CHẤT KHÍ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ÐIỆN TỪ THUỶ ÐỘNG Mã số: T2015-100 Chủ nhiệm đề tài: TS. Lê Chí Kiên S K C0 0 5 5 6 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG PHÂN TÍCH HIỆU ỨNG HALL VÀ SỰ ION HOÁ TRONG CHẤT KHÍ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TỪ THUỶ ĐỘNG Mã số: T2015-100 Chủ nhiệm đề tài: TS. Lê Chí Kiên TP. HCM, 11/2015
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG PHÂN TÍCH HIỆU ỨNG HALL VÀ SỰ ION HOÁ TRONG CHẤT KHÍ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TỪ THUỶ ĐỘNG Mã số: T2015-100 Chủ nhiệm đề tài: TS. Lê Chí Kiên TP. HCM, 11/2015
4. DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA 01. TS. Lê Chí Kiên, Giảng viên, Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
5. MỤC LỤC Danh mục bảng biểu 1 Danh mục các chữ viết tắt 3 Thông tin kết quả nghiên cứu 4 Chương Mở đầu 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 6 2. Tính cấp thiết 7 3. Mục tiêu và cách tiếp cận 7 4. Phương pháp, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8 5. Nội dung nghiên cứu 8 Chương 1: Cơ sở lý thuyết Từ thuỷ động lực MHD 1.1. Nguyên lý phát điện MHD 9 1.2. Chất khí ion hóa 12 1.3. Các loại máy phát điện MHD 20 Chương 2: Ion hoá chất khí 2.1. Plasma 29 2.2. Phương trình ion hoá 31 2.3. Ứng dụng trong Từ thuỷ động 33 2.4. Sự truyền dẫn 34 2.5. Đại lượng vô hướng của điện dẫn 36 2.6. Tổng quát định luật Ohm 39 2.7. Hiện tượng trượt ion 43 2.8. Mối quan hệ năng lượng khi có hiệu ứng Hall và trượt ion 47 Chương 3: Phân tích phát điện Từ thuỷ động 3.1. Hiệu ứng Hall 49 i
6. 3.2. Hiệu ứng trượt ion 51 3.3. Công suất và hiệu suất 54 3.4. Giới hạn sự phân đoạn 56 3.5. Chiều rộng điện cực nhỏ hơn chiều rộng kênh 60 3.6. Chất khí không đồng nhất 61 3.7. Sóng điện từ 70 Chương 4: Kết luận 4.1. Kết luận 76 4.2. Sản phẩm của đề tài 76 4.3. Hướng phát triển của đề tài 77 Tài liệu tham khảo Bản sao thuyết minh đề tài Bản sao hợp đồng triển khai nhiệm vụ ii
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU Hình 1.1: Lực Lorentz tác động lên điện tích chuyển động Hình 1.2: Quan hệ về chiều của dòng điện và chiều của lực Hình 1.3: Nguyên lý phát điện Từ thủy động lực Hình 1.4: Quỹ đạo tròn của một điện tử trong từ trường Hình 1.5: Độ dẫn điện của hỗn hợp khí theo thứ tự metal/Kali, argon/Kali và argon/Cs Hình 1.6: Quan hệ giữa độ dẫn điện và tỉ lệ ion hoá Hình 1.7: Chiều các dòng điện trong lòng chất khí plasma chảy qua từ trường Hình 1.8: Các loại máy phát điện MHD Hình 1.9: Máy phát MHD đơn giản Hình 1.10: Hệ thống phát điện MHD chu trình kín Hình 1.11: Chu trình hở máy phát MHD Hình 2.1: Mật độ electron so với nhiệt độ áp suất từng phần khác nhau của cesium hoặc kali Hình 2.2: Độ dẫn điện của các hạt hydrogen,trong đó tự bản thân hyrdogen bị ion hoá Hình 2.3: Hệ thống toạ độ, hiển thị các hướng của các từ trường, dòng điện, và vận tốc trượt của hạt trong một máy phát điện Faraday lý tưởng Hình 3.1: Máy phát điện Faraday tuyến tính với điện cực phân đoạn Hình 3.2: Máy phát Hall tuyến tính Hình 3.3: So sánh các đặc điểm của V-I máy phát Hall và Faraday Hình 3.4: So sánh hiệu suất-dòng điện của máy phát Hall và Faraday Hình 3.5: Điện cực chéo Hình 3.6: So sánh đặc tính của ngõ ra chéo máy phát Faraday - 1 -
8. Hình 3.7: Các điện cực phân đoạn Hình 3.8: Mô hình dòng điện (điện dẫn không đồng nhất trong kênh từ thủy động lực) Hình 3.9: Bề mặt điện thế cho các vùng vector Hình 3.10: Phân bố dòng điện dọc theo trục một điện cực Hình 3.11 Các điện cực có điện trở dạng hình V Hình 3.12: Ảnh hưởng của chiều rộng điện cực trên điện trở trong của máy phát Faraday Hình 3.13: Ảnh hưởng của tham số Hall Hình 3.14: Ảnh hưởng của hiệu suất Hình 3.15: Dạng phân tầng không đồng đều Hình 3.16: Hệ số ngược không đồng nhất Hình 3.17: Định mức công suất ngõ ra Hình 3.18: Hiệu suất của máy phát Hall Hình 3.19: Phân lớp không đồng đều với khuynh hướng bất kỳ Hình 3.20: Hệ tọa độ Hình 3.21: Tốc độ tăng của khu vực cho máy phát Hall cùng dòng chậm với sự tương tác lực tĩnh điện không đáng kể Hình 3.22: Ảnh hưởng của số Mach Bảng 2.1. Điện thế ion hoá và khối lượng thống kê Bảng 2.2. Phân tử electron chuyển đổi động lượng tiết diện trong phạm vi 2000 - 3000 . Bảng 2.3 Độ linh động ion và tỷ lệ xấp xỉ của các electron tới ion Hall giả sử tham số electron – nguồn khí va chạm chiếm ưu thế - 2 -
9. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ICF : Inertial Confinement Fusion MHD : Magnetohydrodynamic D-T : Deutrrium-Tritium D-D : Deutrrium- Deutrrium EE : Enthalpy Extraction GT : Gas Turbine - 3 -
10. BM 08T. Thông tin kết quả nghiên cứu TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 28 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Phân tích hiệu ứng Hall và sự ion hoá trong chất khí làm việc của máy phát điện Từ thuỷ động - Mã số: T2015-100 - Chủ nhiệm: TS. Lê Chí Kiên - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 02/2015 – 11/2015 2. Mục tiêu: - Xác định ảnh hưởng của hiệu ứng Hall và hiệu ứng trượt ion đến hiệu suất và công suất ra của máy phát điện Từ thuỷ động. - Phân tích các thông số ảnh hưởng đến quá trình ion hoá không cân bằng trong máy phát điện Từ thuỷ động. 3. Tính mới và sáng tạo: Trong chất khí làm việc của Từ thuỷ động tồn tại nhiều quá trình nhiệt, điện từ, động lực học chất khí và nhiều hiệu ứng ảnh hưởng đến thuộc tính điện của chất khí, do đó ảnh hưởng đến sự phát điện của máy phát điện Từ thuỷ động. Việc phân tích hiệu ứng Hall và sự ion hoá là những yếu tố chính ảnh hưởng đến thuộc tính của chất khí làm việc sẽ giúp tăng hiệu quả của chất khí làm việc, do đó cải thiện rõ rệt tính năng phát điện của máy phát điện Từ thuỷ động. 4. Kết quả nghiên cứu: - Hiệu ứng Hall ảnh hưởng lớn đến ranh giới trạng thái không đồng nhất khi lực của dòng điện hoặc từ trường phân bố không đồng nhất. - Bước sóng tăng nhanh nếu các vận tốc trôi electron trong cùng một hướng, và lớn hơn vận tốc sóng. Kết quả là sóng điện từ tăng khi xuất hiện vận tốc lệch của electron theo cùng một hướng và lớn hơn vận tốc sóng điện từ. 5. Sản phẩm: - Bài báo đăng trên Website của Khoa - Một cuốn báo cáo phân tích 4
11. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Làm tài liệu tham khảo cho Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện hoặc người thiết kế vận hành máy phát điện Từ thuỷ động, đồng thời có thể được dùng để hướng dẫn đề tài tốt nghiệp Cao học. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) 5
12. CHƢƠNG 0 MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trong những năm gần đây cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cũng tăng rất đáng kể trong khi nguồn tài nguyên năng lượng đang sử dụng ngày càng cạn kiệt. Trước hoàn cảnh đó, các nhà khoa học đã không ngừng chạy đua trong lĩnh vực giải quyết các vấn đề về năng lượng trong đó có hai xu hướng chính đang được nghiên cứu và tập trung. Xu hướng thứ nhất là tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng mới nhằm thay thế các nguồn năng lượng hiện tại như dầu mỏ, khí đốt, than, nhiên liệu hóa thạch và xu hướng thứ hai là nâng cao hiệu quả/hiệu suất các hệ thống năng lượng hiện nay. Ở xu hướng thứ nhất, các dạng năng lượng mới có thể kể đến như: năng lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối tuy nhiên các dạng năng lượng này vẫn còn một số vấn đề cần nghiên cứu và hoàn thiện hơn như giá thành cao, chi phí lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên nhiên hoặc độ biến đổi của nguồn năng lượng lớn. Do vậy, đề tài này chọn xu hướng thứ hai là nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện và một trong những phương pháp nâng cao hiệu suất đó là dùng hệ thống phát điện sử dụng nguyên lý Từ thủy động MHD (MagnetoHydroDynamic). Đây là một dạng phát điện trực tiếp với nguồn nhiệt sử dụng ở nhiệt độ cao có thể trên 2000K nên được kỳ vọng cho hiệu suất lớn hơn nhiều so với các hệ thống phát điện kiểu truyền thống trước giờ. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có thể tóm tắt như sau: Ngoài nước: Từ thủy động lực đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới, tuy nhiên vẫn chỉ ở mức độ thí nghiệm. Tính hiệu quả kinh tế chưa được nghiên cứu sâu vì đây là một lĩnh vực mới, vẫn còn đang ở giai đoạn nghiên cứu sơ khởi. 6
13. Trong nước: Từ thủy động lực là một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới mẻ nên hầu như chưa có công trình liên quan đến lĩnh vực của đề tài. 2. Tính cấp thiết Nguyên lý Từ thủy động lực thường được biết như là một hình thức chuyển đổi năng lượng trực tiếp với hiệu suất cao. Chính vì vậy, việc ứng dụng Từ thủy động để phát điện mang lại nhiều mối lợi như nâng cao được hiệu suất nhà máy, cung cấp công suất ra lớn, giải quyết được các vấn đề về cạn kiệt nguồn năng lượng thiên nhiên đồng thời bảo vệ được môi trường. Bên cạnh đó, phát điện kiểu truyền thống sử dụng tuabin khí đã được ứng dụng từ lâu và hiện nay vẫn đang thông dụng. Vì vậy, nghiên cứu một hệ thống phát điện kết hợp cả Từ thủy động và phát điện tuabin khí hiện hành chắc chắn sẽ rất được quan tâm và triển khai rộng rãi trong một tương lai gần nhằm nâng cao hiệu suất phát điện giải quyết được vấn đề thiếu hụt năng lượng. 3. Mục tiêu và cách tiếp cận Phương pháp phát điện Từ thuỷ động là một trong những hướng nghiên cứu mới hiện đã được xây dựng dưới dạng mô hình thí nghiệm và sẽ được đưa vào sử dụng trong một tương lai gần do hiệu suất phát điện cao. Do đó nhiệm vụ trọng tâm và mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các hiệu ứng xảy ra trong lòng máy phát điện Từ thuỷ động, chủ yếu gồm các vấn đề sau: - Xác định ảnh hưởng của hiệu ứng Hall và hiệu ứng trượt ion đến hiệu suất và công suất ra của máy phát điện Từ thuỷ động. - Phân tích các thông số ảnh hưởng đến quá trình ion hoá không cân bằng trong máy phát điện Từ thuỷ động. 7
14. 4. Phƣơng pháp, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu dựa vào nghiên cứu lý thuyết về trường điện từ, hiệu ứng xảy ra trong lòng máy phát điện Từ thuỷ động. Dựa trên lý thuyết các phương trình mô tả chất khí làm việc để tính toán các thông số. Đối tượng nghiên cứu bao gồm những nguyên lý cơ bản của Từ thủy động lực học, các hiệu ứng trong trường điện từ và bên trong chất khí. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong những công việc sau: - Khảo sát nguyên lý và hệ thống phát điện Từ thuỷ động. - Chỉ nghiên cứu hiệu ứng Hall và hiệu ứng trượt trong chất khí làm việc. - Phân tích các yếu tố liên quan đến hiệu ứng ion trong lòng chất khí. - Phân tích sự cân bằng năng lượng trong lòng máy phát Từ thuỷ động và trong lòng chất khí. 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính như sau: - Phân tích được ưu khuyết điểm của phương pháp phát điện Từ thủy động lực với các phương pháp khác. - Sự ion hoá chất khí bao gồm plasma, phương trình ion hoá. - Ứng dụng ion hoá trong Từ thuỷ động. - Hiệu ứng Hall, hiệu ứng trượt ion. - Công suất và hiệu suất của phát điện Từ thuỷ động. 8
15. CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỪ THỦY ĐỘNG LỰC MHD 1.1. Nguyên lý phát điện MHD Từ thủy động (Magnetohydrodynamic – MHD), còn được gọi là động từ học chất lỏng, là môn học nghiên cứu các chất lưu (chất lỏng, plasma ) dẫn điện chuyển động dưới tác động của điện trường hoặc từ trường. Các ví dụ về chất lưu dẫn điện là plasma, nước muối, kim loại dưới dạng lỏng. Lĩnh vực này được nghiên cứu đầu tiên bởi Hannes Alfvén. Các công trình của ông về lĩnh vực này đã được giải thưởng Nobel vào năm 1970. Ý tưởng cơ bản của từ thủy động lực học là từ trường có thể tác động lực Lorentz lên các điện tích chuyển động trong plasma, gây ra áp suất và dòng điện cảm ứng, và dòng cảm ứng lại sinh ra từ trường cảm ứng thay đổi từ trường tổng. Các phương trình mô tả các hiện tượng từ thủy động lực học là sự kết hợp giữa các phương trình mô tả thủy động lực học và các phương trình Maxwell (mô tả trường điện từ). 1.1.1. Cơ sở lý thuyết Từ thủy động dựa trên một hiện tượng điện từ rất quen thuộc, đó là từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tích chuyển động trong đó như hình 1.1. F q v B (1.1) F là lực Lorentz tác động q là điện tích của hạt mang điện chuyển động, v là vận tốc của hạt điện tích B là mật độ từ thông 9
16. Hình 1.1: Lực Lorentz tác động lên điện tích chuyển động Hình 1.2: Quan hệ về chiều của dòng điện và chiều của lực Nếu xét một dòng điện chuyển động ngang qua từ trường như hình 1.2 thì chiều của lực tác động lên dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay phải. 1.1.2. Nguyên lý Từ thủy động lực N S Dòng khí Hình 1.3: Nguyên lý phát điện Tử thủy động lực 10
17. Như chúng ta đã biết trong kiểu phát điện truyền thống, khi dây dẫn điện chuyển động trong từ trường thì trên 2 đầu dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng. Nối kín 2 đầu dây với tải bên ngoài sẽ tạo thành dòng điện chạy trong mạch kín. Với phát điện kiểu Từ thủy động lực ở hình 1.3 trên, một dòng khí tích điện (được ion hóa) thổi qua từ trường thì ở 2 đầu bản cực nối với tải bên ngoài sẽ xuất hiện dòng điện. Như vậy, điểm khác biệt cơ bản giữa 2 kiểu phát điện là ở chỗ: trong kiểu Từ thủy động lực, dòng điện chảy chính ngay trong lòng luồng khí thay cho chảy trong dây dẫn chuyển động như trong kiểu truyền thống. Vì vậy, phát điện Từ thủy động lực được coi là một dạng phát điện trực tiếp mà không cần bộ phận chuyển động (cánh quạt, tuabin, rotor, dây dẫn), chổi than, cổ góp Những nghiên cứu trên thực tế về MHD đã được thực hiện đầu tiên vào năm 1938 ở Mỹ và cho đến ngày nay đã được phát triển ở nhiều nước [1]. Máy phát điện Từ thủy động (MHD) thường có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần có các chi tiết phải bôi trơn. Khí làm việc của các hệ thống như vậy thường là các chất khí ở dạng plasma rất nóng, có thể kết hợp với các hệ thống truyền thống tái sử dụng lượng nhiệt này để cung cấp nhiệt cho tuabin (như máy phát điện hơi nước) để phát điện. Những hệ thống kết hợp MHD-tuabin hơi kiểu này thường có hiệu suất rất cao tuy nhiên những phương pháp phát điện truyền thống hiện vẫn chiếm ưu thế do công nghệ rẻ hơn. Máy phát Từ thủy động chu trình mở vận hành với nhiên liệu hóa thạch đốt cho qua hệ thống MHD sau đó kết hợp với tuabin hơi được vận hành thử nghiệm vào khoảng năm 1965. Máy phát MHD chu trình kín thường thường sử dụng nhiên liệu từ lò hạt nhân, nhưng có khi cũng dùng nhiên liệu hóa thạch. Chất dẫn điện trong MHD có thể là khí hoặc kim loại lỏng nhiệt độ làm việc thông thường khoảng 3000K trong khi đối với tuabin hơi nhiệt độ giới hạn khoảng 850K và với các máy phát tuabin hơi 11
18. hiệu suất đạt dưới 42%. Đối với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể nâng nhiệt độ lên cao nên cho hiệu suất cao hơn. 1.2. Chất khí ion hóa 1.2.1. Tƣơng tác của điện tử Chất khí sử dụng trong máy phát điện MHD phải là dạng plasma tức là bị ion hóa để tăng độ dẫn điện, vì vậy ở đây chúng ta khảo sát sơ lược mô hình những tương tác của điện tử trong chất khí bị ion hóa trong từ trường. Trong chất khí tại trạng thái cân bằng, các nguyên tử, các ion và các điện tử chuyển động ngẫu nhiên. Vận tốc của chúng được xem là một giá trị trung bình mà sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Xét một điện tử tự do chuyển động không va chạm theo một quỹ đạo tròn trong một từ trường đồng nhất như hình 1.4 [2]. B ce F=qce B r ce ce Hình 1.4: Quỹ đạo tròn của một điện tử trong từ trường Theo công thức (1), độ lớn lực Lorentz là hằng số và được xác định bằng: F qceB [N] (1.2) Trong đó, q là điện tích của điện tử, ce là độ lớn vận tốc của điện tử (khi không có từ trường thì vận tốc của điện tử ce cũng chính là vận tốc dòng khí u), và B là cường độ từ trường. Bởi vì lực Lorentz này vuông góc với hướng di chuyển nên điện tử chuyển với vận tốc không đổi trên quỹ đạo tròn xung quanh đường sức từ trường. 12
19. Theo định luật 2 Newton, lực tác động trên điện tử có khối lượng me chuyển động tròn đều với bán kính quỹ đạo r sẽ là: 2 F mece / r qceB [N] (1.3) Từ công thức trên, chúng ta định nghĩa một đại lượng tạm gọi là tần số vòng : -1  ce / r qB / me [s ] (1.4) Từ đây chúng ta nhận thấy tần số vòng này không phụ thuộc vào vận tốc của điện tử mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn từ trường và thuộc tính của điện tử. Mặc dù chuyển động vòng của điện tử tồn tại trong chất khí đặt trong từ trường mạnh, điện tử vẫn có thể va chạm với những hạt khác. Khả năng xảy ra va chạm giữa các hạt phụ thuộc vào kích thước của hạt, có nghĩa là hạt càng lớn càng va chạm thường xuyên. Xác suất va chạm sẽ tỉ lệ với tiết diện ngang va chạm Q, có thể hiểu là diện tích của hạt, và tần số va chạm của điện tử c sẽ được định nghĩa theo công thức: c neQce 1/ [va chạm/s] (1.5) 3 với ne là mật độ điện tử [điện tử/m ], ce là vận tốc điện tử [m/s],  [s] là thời gian trung bình giữa những va chạm (bằng nghịch đảo của tần số va chạm). Tỉ số giữa tần số vòng và tần số va chạm /c được định nghĩa là tham số Hall  [3,4], sẽ liên quan đến cường độ từ trường theo biểu thức:   /c  qB / me qB / nemeQce (1.6) Đây là một thông số khá phổ biến trong phân tích, tính toán, thiết kế Từ thủy động. Nó chỉ rõ sự quan trọng của từ trường và va chạm trong việc điều khiển chuyển động của điện tử trong chất khí bị ion hóa. Trước khi phân tích một số thông số tiếp theo, chúng ta giải thích rõ thêm khái niệm về điện trường trong MHD. Ở đây, ta phải hiểu từ trường và điện trường luôn tồn tại cùng nhau, hay nói cách khác “trường” trong MHD có thể hiểu là trường điện từ. Điện trường trong MHD tồn tại giữa 2 bản cực mang điện tích mà được hình thành 13
20. chính do dòng chất khí bị ion hóa chuyển động qua từ trường như mô tả nguyên lý MHD ở phần trên. Trong ống MHD, có 3 loại vận tốc tồn tại: vận tốc dòng khí u (giả sử là hằng số), vận tốc riêng trung bình của điện tử ce, và vận tốc tương đối (hay còn gọi là vận tốc trôi) của điện tử we được định nghĩa là vận tốc chênh lệch giữa vận tốc riêng và vận tốc dòng khí. we ce u [m/s] (1.7) Khi không có trường điện từ, vận tốc riêng trung bình của các điện tử ce chính là vận tốc dòng khí u nên vận tốc trôi khi đó bằng 0. Khi có trường điện từ, sẽ có một chuyển động của điện tử tương đối so với dòng khí (vận tốc trôi). Điều này có nghĩa là sự chuyển động tương đối của điện tử trong dòng khí đặc trưng cho độ d ẫn điện của chất khí. Một thông số khác cũng quan trọng đó là độ di chuyển của điện tử  được hiểu là một sự đo lường những đáp ứng của điện tử đối với điện trường. Độ di chuyển của điện tử được xác định bằng tỉ số vận tốc trôi trên cường độ điện trường E: 2  we / E [m /(Vs)] (1.8) Giả sử sau khi va chạm điện tử không còn vận tốc trôi nữa, khi đó gia tốc của điện tử có thể coi xấp xỉ bằng tỉ số giữa vận tốc trôi we và thời gian giữa những va chạm . Do lực Lorentz trong điện trường là qE, theo định luật 2 Newton ta có: we qE / me [m/s] (1.9) Từ đây, độ di chuyển của điện tử có thể được viết: 2  q / me [m /(Vs)] (1.10) Kết hợp công thức này với công thức (6), ta nhận thấy tham số Hall  cũng chính là B: B qB / me   /c  (1.11) 14
21. Từ công thức trên ta có nhận xét tham số Hall sẽ lớn đối với những chất khí có độ di chuyển của điện tử lớn trong một từ trường mạnh. Điều này sẽ rất có ý nghĩa trong những thiết kế liên quan đến ống MHD. Giả sử điện tử là những hạt tải đa số, mật độ dòng điện J có thể được biểu diễn theo độ di chuyển của điện tử  thông qua vận tốc trôi we: 2 2 J neqwe neq E / me neqE [A/m ] (1.12) Do đó, độ dẫn điện của chất khí được xác định bởi: -1  J / E neq [(m) ] (1.13) Hình 1.5 biểu diễn đặc tính thực nghiệm của độ dẫn điện một số chất khí tùy theo nhiệt độ. Từ những đường biểu diễn này, ta nhận thấy rằng nhiệt độ đóng vai trò rất quan trọng trong phát điện Từ thủy động vì nó ảnh hưởng đến đặc tính dẫn điện của chất khí [5]. Hình 1.5: Độ dẫn điện của hỗn hợp khí theo thứ tự metal/Kali, argon/Kali và argon/Cs 15
22. S K L 0 0 2 1 5 4