Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern der Zirkulation von Hall-Strömen in einem Plasma Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum Verhindern der Zirkulation von Hall-Strö- men parallel zu und innerhalb eines Stromes von elek trisch leitendem Plasma, das durch ein magnetisches Feld, welches in einem Winkel zur Plasmastromrichtung steht, in einem magnetohydrodynamischen Generator oder Beschleuniger fliesst, .der mit längs der Flussrich tung angeordneten Elektroden versehen ist,
von .denen individuell einander gegenüberliegende Elektroden mit einander in Serie geschaltet sind.. Obgleich die Möglich keit der Energieerzeugung durch die Wechselwirkung eines elektrisch leitenden Fluidums und eines Magnet feldes seit langem bekannt gewesen ist, sind erst vor einigen Jahren .solche magnetohydrodynamische Vor richtungen zur Verwendung in d er Industrie eingehend erforscht worden. Dies wird deutlich durch das USA- Patent <B>1717</B> 413 von Rudenberg, das im Jahre 1929 auf ein thermoelektrisches Gerät erteilt wurde.
Dies zeigt, dass die Grundlagen allgemein bekannt sind. Praktische Probleme, wie die Strömung von Hall-Strom in Generatoren, haben jedoch Fortschritte auf diesem Gebiet stark behindert.
Bei magnetohydrodynamischen Generatoren wird gewöhnlich ein elektrisch leitendes Arbeitsfluidum von einer Quelle mit hoher Temperatur und hohem Druck benutzt. Von .der Quelle strömt das Fluidum durch den Generator, dem ein Magnetfeld zugeordnet ist, und durch Elektroden, zwischen denen ein Stromfluss durch Relativbewegung des Fluidums zu :dem Feld induziert wird.
Das Fluidum strömt zu einem Abfluss aus, der einfach die Aussenluft sein kann oder in hochentwickel- ten Systemen aus einer Rückgewinnungsanlage bestehen kann, die Pumpvorrichtungen zur Rückförderung des Fluidums zu der Quelle aufweist. Das Arbeitsfluidum kann ein Gas hoher Temperatur und hohn Druckes, wie z. B. Helium oder Argon, sein, dem etwa 1 % Natrium, Kalium oder Cäsium zugesetzt ist, um .die Ionisierung und somit die elektrische Leitfähigkeit zu verstärken.
Das Gas besteht aus Elektronen, positiven Ionen, neutralen Atomen und kann zweckmässig als Plasma bezeichnet werden.
Wenn das Plasma durch den Generator bei Existenz eines elektrischen Feldes und eines zu diesem rechtwink lig orientierten magnetischen Feldes strömt, treten krummlinige Bewegungen geladener Teilchen unter dem Einfluss beider Felder auf.
Infolge solcher Bewegungen werden negative und positive Ladungen in. dem Plasma getrennt, wodurch ein wesentlicher Potentialgradient in Längsrichtung seiner Strömung entsteht. Unter dem Einfluss .des Potentialgradienten fliesst der Strom longi- tudinal durch,das Plasma und,die Elektroden des Gene- rators.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass man das Potential bestimmter Elek troden anderen Elektroden aufdrückt, um Potentialdif- ferenzen zwischen dem Plasmastrom und den Elektro den zu verhindern.
Die erfindungsgemässe magnetohydrodynami.sche Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besitzt einen Kanal für den Durchfluss eines. Plasmas und Mit tel zur Erzeugung eines Magnetfeldes durch .den Kanal senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas;
sie ist dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal zwei Reihen einander gegenüberliegender und im Abstand voneinan der angeordneter Elektroden vorgesehen und einzelne Elektroden,d,er beiden Reihen miteinander in Serie ge schaltet sind, um einen Potentialgradienten zu erzeugen, .der demjenigen entgegenwirkt, (der im Plasma in_ dessen Strömungsrichtung durch das magnetische Feld erzeugt wird,
und dass die Betriebsbadingungen der Vorrichtung so einstellbar sind, dass
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ist, wobei w die Zyldotronfrequenz der Elektronen des Plasmas, t die .mittlere Zeit zwischen den Zusammen- stössen eines Elektrons mit anderen Teilchen, e der elektrische Wirkungsgrad .der Vorrichtung, y der Quer- abstand einander gegenüberliegender Elektroden und x der Längsabstand einander benachbarter Elektroden ist.
Die Anwendung der Erfindung auf magnetohydro- dynamische Einrichtungen ermöglicht folgende Verbes serungen: a) erhöhter Wirkungsgrad infolge vergrösserter Leitfähigkeit durch .das Arbeitsplasma in zu den Elek troden senkrechter Richtung; b) Verminderung der Generatorgrösse durch den erhöhten Gesamtbetriebswirl,-ungsgrad; c) verbesserte Elektrodenlebensdauer infolge gere gelter Bildung von Strompfaden.
Die Erfindung wird hinsichtlich ihrer Grundsätze und ihres Anwendungsverfahrens zusammen mit zusätz lichen Aufgab n und Vorteilen am besten aus der fol genden Beschreibung spezieller Ausführungsformen im Zusammenhang mit der Zeichnung verständlich. Es zei gen: Fig. 1 eine Veranschaulichung der Elektronenbewe gung in einem Magnetfeld sowohl beim Fehlen eines elektrischen Feldes als auch bei Existenz eines solchen;
Fig. 2 eine Veranschaulichung der Elektronenbewe gung in einem Plasmastrom beim Vorhandensein eines magnetischen Feldes und eines elektrischen Feldes unter Bedingungen, bei .denen das Produkt der Zyklotronfre- quenz und der mittleren freien Zeit zwischen Teilchen- kollisionen viel grösser als 1 ist;
Fig. 3 eine Darstellung der Elektronenbewegung in einem Plasmastrom in Gegenwart eines magnetischen Feldes und eines elektrischen Feldes unter Bedingungen, bei denen das Produkt der Zyklotronfrequenz und der mittleren freien Zeit zwischen Kollisionen kleiner als 1 ist; Fig. 4 eine schematische Darstellung des Flusses von Hall-Strömen in einem linearen magnetohydrodynami- schen Generator;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines üblichen magnetohydrodynamischen Generators; Fi;g. 6 eine schematische Darstellung eines magneto- hydrodynami.schen Generators mit Elektroden, die ge- mäss den Lehren der Erfindung angeordnet sind;
Fig. 7 einen modifizierten magnehydrodynamischen Generator mit Elektroden, die miteinander verbunden sind, um Energie mit verhältnismässig hoher Spannung zu erzeugen; und Fig.8 eine weitere abgeänderte Ausführungsform eines magnetohydrodynamischen Generators mit Elek troden, die in einer Anzahl getrennter Stromkreise mit einander verbunden sind, um Energie hoher Spannung an getrennte Belastungen zu liefern.
Allgemeine <I>Prinzipien</I> Eine Betrachtung der Hall-Ströme ermöglicht ein besseres Verständnis der Erfindung. Zu diesem Zweck wird die Aufmerksamkeit auf Fig. 1 gelenkt, die in übli cher Darstellung ein magnetisches Feld 1 zeigt, bei dem zur Veranschaulichung angenommen ist, dass es in die Zeichenebene gerichtet ist. Weiterhin wird angenom men,
dass sich ein Elektron 2 mit der Anfangsgeschwin digkeit v" in dem magnetischen Feld befind-t. Gemäss den bekannten Grundsätzen der Elektronenbewegung beschreibt das Elektron eine kreisförmige Bahn 3 in der Zeichenebene, wobei die das Elektron auf seiner Kreis bahn haltende Kraft proportional zu der Ladung des Elektrons und dem äusseren Produkt seiner Geschwin digkeit v" und :der Stärke des magnetischen Feldes ist.
Eine solche Bewegung geladener Teilchen ist in klarer Weise in der bekannten Literaturstelle John D. Ryder, Electronic Fundamentale and Applications , veröffent licht von Prentice-Hall, Inc., 1954 (Seite 22 ff) offen bart.
Da die auf das Elektron wirkende Kraft immer senk recht zu seiner Bewegung und Geschwindigkeit ist, wird am Elektron keine Arbeit durch das magnetische Feld geleistet und seine Geschwindigkeit bleibt mit Aus nahme der Richtung ungeändert. Theoretisch setzt das Elektron seine Bewegung auf der Kreisbahn 3 fort. Falls jedoch ein zu dem magnetischen Feld senkrechtes elek trisches Feld, z. B. durch die Elektroden 4 und 5, aus geübt wird, weicht die Bewegung des Elektrons von der Kreisbahn ab.
Wenn man zur Verdzutlichung annimmt, dass die Elektrode 4 positiv und die Elektrode 5 negativ geladen ist, verlässt das Elektron seine Kreisbahn bei 6 und beschreibt eine schleifenförmige Bahn, die allge mein mit 7 bezeichnet ist. Dies ergibt sich aus der all mählichen Geschwindigkeitsabnahme des Elektrons, wenn es sich von der positiven El;:ktro,de entfernt und sich der negativen Elektrode nähert.
Wenn das Elektron seine Bewegungsrichtung ändert und. sich in Richtung der positiven Elektrode bewegt, wird das Elektron durch das äussere Produkt seiner Bewegungv-geschwindigkeit und der Dichte des magnetischen Feldes wiederum ver anlasst, sich auf einer Kreisbahn zu bewegen. Wenn sich der Vorgang wiederholt, beschreibt das Elektron eine schleifenförmige Bahn, wie dargestellt ist.
In der vorstehenden Beschreibung (Fig. 1) wird zu nächst ein geladenes Teilchen angznommen, das sich ohne die Möglichkeit einer Kollision mit anderen Teil chen bewegt. Wenn der Einfluss von Zusammenstössen betrachtet wird, ergibt sich ein solcher Zustand, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
In Fig. 2 wird angenommen, dass sich ein Plasma strom 10 von links nach rechts zwischen den Elektroden 11 und 12 bewegt. Weiterhin wird ein magnetisches Feld 13 zwischen den Elektroden angenommen, das in die Zeichenebene gerichtet ist. Wenn man voraussetzt, dass sich ein Elektron 14 mit einer Anfangsgeschwindigkeit v" in d--m Raum zwischen den Elektroden befindet, so sucht dieses eine Kreisbahn in :der Zeichenebene zu be schreiben, wie bei 15 dargestellt ist.
Nimmt man zu nächst an, dass zwischen den Elektroden kein elektri sches Feld vorhanden ist, dann setzt das Elektron seine Kreisbahn fort, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 be schrieben ist. Falls jedoch die Elektroden 11 und 12 positiv bzw. negativ gemacht werden, dann sucht das Elektron eine schleifenförmige Bewegungsbahn zu be schreiben, die :der Bahn 7 in Fig. 1 ähnlich ist.
Nun kann der Kollisionseffekt anderer Teilchen des Plasmastromes mit dem Elektron betrachtet werden. Die achleifenförmige Kurve 16 in Fig. 2 zeigt die resultie rende Bahn des Elektrons unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes und den Einfluss von Zusammen- stössen mit anderen Plasmateilchen unter Bedingungen, bzi denen das Produkt von wt viel grösser als 7 ist, wobei w die Ele:
ktro-nenzyklotronfrequenz und t die mittlere Zeitdes Elektrons zwischen Zusammenstössen ist. Zur Vereinfachung sind. die Kurve 16 und die ande ren in Fig. 3 und 4 dargestellten Kurven für einen sta tionären Plasmastrom gezeichnet. Wenn das Produkt von wt viel grösser als 1 ist, ist ersichtlich, dass die Fre quenz des Elektrons auf seiner Kreisbahn hoch und die Zeit zwischen aufeinanderfolgvnden Zusammenstössen anderer Teilchen mit -dem Elektron ziemlich lang sein kann.
Unter solchen Bedingungen kann das Elektron eine vollständige Kreisbahn beschreiben, bevor es durch Teilchenkollision in eine benachbarte Kreisbahn, wie z. B. .die Kreisbahn 17, abgelenkt wird. Infolge des zu- sammengefassten Einflusses von Zusammenstössen ist die Kurve 16 im allgemeinen von rechts nach links un ten, wie in Fig. 2, geneigt, falls der Plasmastrom,als sta tionär betrachtet wird.
Mit anderen Worten: der Effekt des elektrischen Feldes und des Teilchenstosses auf ein sich in einem magnetischen Feld bewegendes Elektron bewirkt, dass sich das Elektron schraubenförmig längs einer schleifenförmigen Kurve bewegt, die unter einem Winkel zwischen den Elektroden verläuft.
In Fig. 3 ist die Bewegung eines Elektrons unter Be dingungen veranschaulicht, bei denen das Produkt von wt kleiner als 1 ist. Unter solchen Bedingungen sind Zu- sammenstösse von Teilchen mit dem Elektron viel häu figer als in Fig. 2, und der Effekt der Elektronenablen- kung infolge Teilchenkollision ist stärker ausgeprägt. In Fig. 3 bewegt sich das Elektron 20, für das wiederum die Anfangsgeschwindigkeit va in dem magnetischen Feld 21 angenommen wird, unter .dem Einfluss eines von den Elektroden 22 und 23 aufgedrückten elektri schen Feldes.
Infolge der Kollisionshäufigkeit mit Teil chen in dem Plasmastrom 24 wird jedoch das Elektron längs einer Bahn abgelenkt, die bei 25 veranschaulicht ist. Es wird bemerkt, dass die Zusammenstösse so häufig erfolgen, dass das Elektron wenig oder gar keine Gele genheit hat, einen grösseren Teil der Kreisbahn zu be schreiben, der es normalerweise in einem magnetischen Feld folgen würde, falls es keinen äusseren Einflüssen unterliegen würde.
Bisher war die Diskussion auf die Elektronenbewe gung in einem magnetischen Feld beschränkt. Bekannt lich beschreiben auch andere geladene Teilchen, wie z. B. positive Ionen, Kreisbahnen bei Existenz eines magnetischen Feldes, obgleich dann die Bewegungsrich tung infolge der Vorzeichenänderung der Teilchenla dung umgekehrt ist. Die kreisförmigen Bewegungen positiver Ionen können jedoch infolge ihrer verhältnis- mässig gsringeren Geschwindigkeit und ihrer grösseren Masse im Vergleich zu Elektronen unberücksichtigt bleiben.
Dies wird aus der Erwägung deutlich, dass der Radius der von einem geladenen Teilchen beschriebe nen Kreisbahn eine Funktion des Produktes seiner Masse und seiner Geschwindigkeit ist. Aus diesem Grunde suchen sich positive Ionen auf Bahnen mit einem sehr grossen Krümmungsradius zu bewegen, und es tritt keine solche Bewegung auf, wie sie in Fig. 1, 2 und 3 beschrieben wurde. Statt dessen ist der Plasma strom bestrebt, die verhältnismässig trägen positiven Ionen strömungsabwärts mitzunehmen, während die Elektronen gleichzeitig abgelenkt werden und sich im allgemeinen gegen den Strom bewegen. Dies ist die Quelle des Hall-Stromes, wie nun beschrieben wird.
In Fig. 4 ist ein Paar Elektroden 30 und 31 darge stellt, zwischen denen sich ein Strom elektrisch leitenden Plasmas 32 bewegt. Ein Magnetfeld 33 ist senkrecht in die Zeichenebene hineinverlaufend vorhanden. Zur Verdeutlichung wird angenommen, dass die Elektrode 30 positiv und die Elektrode 31 negativ ist.
Aus der frü heren Beschreibung ergibt sich dann, dass die Bewegung der Elektronen im allgemeinen auf den Bahnen 34 von der Elektrode 31 zu der Elektrode 30 erfolgt bzw. nach üblicher Ausdrucksweise der Strom längs den Linien 34 von der Anode 30 zu der Kathode 31 fliesst. Es wird bemerkt, dass die Linien des Stromflusses unter einem Winkel zu den Elektroden geneigt sind und nicht den kürzesten Weg zwischen diesen bilden. Dies ist ein direktes Ergebnis der Elektronenbewegung, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist,
da die Elek tronen die Hauptstromträger innerhalb des Plasmastro mes sind. Die Linien 34 bezeichnen die reine Resultie rende des Stromflusses, die durch eine quer zu dem Plasmastrom verlaufende Komponente und eine parallel zu dem Plasmastrom liegende Komponente bestimmt ist. Die parallele Komponente ist als Hall-Strom be kannt und ist mit gestrichelten Linien 35 in Fig. 4 be zeichnet. Der Hall-Strom. fliesst in Längsrichtung durch das Plasma und läuft durch die Elektroden zurück.
Die ser Strom trägt keineswegs zu nützlichem Betrieb der Vorrichtung bei und ergibt tatsächlich einen Stromfluss zwischen den Elektroden auf einem weniger direkten Weg mit vermindertem Querschnitt, als dies sonst mög lich sein würde.
Infolgedessen geht mehr Energie durch Joulesche Erwärmung in dem Generator verloren, wodurch sein Wirkungsgrad vermindert oder eine Erhö hung der Generatorgrösse für einen bestimmten Wir kungsgrad und eine Nettoausgangsleistung notwendig gemacht wird. <I>Üblicher</I> magnetohydrodynamischer <I>Generator</I> In Fig.5 ist eine einfache Form eines üblichen magnetohydro@dynamischen Generators dargestellt.
Er besteht aus einem im allgemeinen divergenten Kanal 40, dem Plasma bei hoher Temperatur und unter Druck bei 41 zugeführt wird, das den Generator bei 42 verlässt. Das Plasma kann eine Temperatur von 3000 K und einen Druck von zehn Atmosphären haben. Infolge sei ner hohen Temperatur und seiner Zusammensetzung ist das Plasma elektrisch leitend und kann eine Leitfähig keit in der Grössenordnung von 100 mho/Meter haben. In dem Kanal befinden sich Elektroden 43 und 44, die mit der Belastung 45 durch einen Leiter 46 verbunden sind.
Eine Magnetfeldspule 47, die aus einem konti nuierlichen elektrischen Leiter besteht, der mit Strom von irgendeiner geeigneten Quelle (nicht gezeigt) oder von dem magnetohydrodynamischen Generator selbst gespeist werden kann, umgibt die Aussenfläche des Kanals 40 und erzeugt ein magnetisches Feld, das quer zu .dem Plasmastrom und senkrecht in die Zeichenebene verläuft. Die Bewegung des Gasstromes relativ zu dem magnetischen Feld erzeugt eine elektromotorische Kraft 48 zwischen den Elektroden.
In einfachster Weise ausgedrückt besteht das Plasma aus einem elektrischen Leiter; der durch ein magneti sches Feld gedrückt wird, wodurch die Induktion einer elektromotorischen Kraft in dem Leiter verursacht wird.
In einem üblichen magnetohydTodynamischen Gene rator des in Fig. 5 dargestellten Typs sind Hall-Ströme vorhanden, wie sie mit Bezug .auf Fig. 1-4 erläutert wurden. Daher besitzt der Generator in kennzeichnen der Weise innere Verluste und ungenügenden Wirkungs grad, was unter manchen Betriebsbedingungen äusserst nachteilig sein kann.
Magnetohydrodynamischer <I>Generator</I> <I>mit</I> segmehtförmigen <I>Elektroden</I> (Fig. <I>6)</I> In Fig. 6 ist in schematischer Weise ein magnetohy- drodynamischer Generator dargestellt, der einen diver genten Kanal 50 aufweist, .dem ein Plasma 51 mit hoher Temperatur und mit hohem Druck zugeführt wird. Dem Kanal ist eine Magnetfeldspule zugeordnet, die schema tisch mit unterbrochenen Linien 52 angedeutet ist.
Die Magnetspule liefert ein magnetisches Feld, das senk- recht zu der Zeichenebene und quer zu dem Plasma strom verläuft.
Aus Fig. 6 ist erkennbar, dass die Elektroden auf jeder Seite des Kanals aus getrennten, elektrisch isolier ten Segmenten 53a, 53b, 53c<B>...</B> 53k und 54a, 54b, 54c <B>...</B> 54k bestehen.
Die Elektroden jeder Gruppe sind seitlich nebeneinander angeordnet, und die Gruppen auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals begrenzen Quer pfade für den zu der Richtung,des Plasmastromes und des Magnetfeldflusses senkrechten Stromfluss.
Die Elektroden 53a und 54a sind mit einem Wech selrichter 55a elektrisch verbunden. Der Wechselrichter, der in üblicher Weise ausgebildet sein kann, ist .an eine Primärwicklung 56a eines Mehrwicklungstransformators 57 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 58 Wech- selstromleistung abgibt.
In gleicher Weise sind die Elektroden 53b und 54b mit einem anderen Wechselrichter 55b verbunden, der eine Transformatorprimärwicklung 56b hat. Diese ist auch mit der Sekundärwicklung 58 in Zeitphasenbezie- hung zu der Primärwicklung 56a gekoppelt. Die anderen sich gegenüberliegenden Elektrodenpaare sind in glei cher Weise an getrennte Wechselrichter angeschlossen, die mit der Sekundärwicklung 58 gekoppelt sind, wie dargestellt ist.
Da kein kontinuierlicher Pfad longitudinal durch die Elektroden parallel zu der Richtung des Plasmaflusses vorhanden ist, können sich keine Hall-Ströme in dem Plasma bilden. Die segmentförmige Gestaltung der Elektroden unterbricht wirkungsmässig vollständig die Bahn des Hall-Stromflusses. Auf diese Weise werden die durch Hall-Ströme bedingten Verluste beseitigt, und es wird eine Verbesserung der gesamten Arbeitsweise er halten.
Die einzelnen Elektroden arbeiten nicht auf dem gleichen Potentialpegel, da ohne Fluss von Hall-Strom ein Hall-Potential longitudinal zu dem Plasmastrom ent steht. Anders ausgedrückt: Die Elektrode 53k besitzt ein höheres Potential als die Elektrode 53a. Jedoch ist die Spannungsdifferenz zwischen sich jeweils gegenüberlie genden Elektroden, wie z. B. 53a, 54a - 53k, 54k, im wesentlichen gleich.
Unter Gleichgewichtsbedingungen wirkt das Hall-Potential der longitudinalen Abweichung geladener Teilchen entgegen, wie mit Bezug auf Fig. 1-4 beschrieben wurde.
Magnetohydrodynamischer <I>Generator</I> <I>mit in Reihe geschalteten Elektroden</I> In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfin dung in Form eines magnetohydrodynamischen Genera tors mit einem Kanal 60 dargestellt, dem Plasma 61 zu- geführt wird, wie bereits beschrieben wurde.
Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist eine Magnetfeldspule bei 62 vorgesehen und liefert ein magnetisches Feld, das senkrecht zu der Zeichenebene und quer zu dem durch den Kanal 60 fliessenden Plasmastrom verläuft.
Die Elektroden sind im wesentlichen in der .gleichen Weise, wie im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben wurde, segmentförmig ausgebildet und bestehen aus einer Reihe getrennter Elektroden 63a, 63b<B>......</B> 63e und diesen gegenüberliegenden Elektroden 64a, 64b<B>.....</B> 64e. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 6 sind jedoch hier die sich gegenüberliegenden Elektroden in Reihe geschaltet. Anders ausgedrückt: Die Elektrode 63a ist durch den Leiter 65 mit der Elektrode 64b ver bunden.
In gleicher Weise sind die Elektroden 63b und 64e sowie 63c mit 64d und 63d mit 64e verbunden. Die Endelektroden 64a und 63e sind ausserhalb .des Genera tors mittels eines Leiters 67 an die Belastung 66 ange schlossen.
Bei dieser Ausführungsform .der Erfindung werden die elektromotorischen Kräfte, die durch Vorbeibewe- gung des Plasmas .an sich gegenüberliegenden Elektro den, wie z. B. 63a - 64a, erzeugt werden, durch die Rei henschaltungen addiert, so dass sich die an die Bela stung 66 gelieferte Energie auf die Summe der abgege benen elektromotorischen Kräfte aller Elektrodenpaare beläuft. Bei Reihenschaltung arbeitet jede Elektrode auf einer bestimmten Seite des Kanals, z.
B. 63a - 63e, bei einem aufeinanderfolgend höheren Potentialpegel als ihre unmittelbar vorhergehende Elektrode. Mit anderen Worten: Die Elektroden definieren einen Potentialgra dienten in Längsrichtung durch den Kanal. Wie noch ausführlicher erläutert wird, kann dieser Potentialgra dient so gewählt werden, dass er .an den Potentialgra dienten angepasst ist, der ,durch Trennung von Elektro nen und positiven Ionen erzeugt wird, wie im Zusam menhang mit Fig. 1-4 beschrieben wurde.
Auf diese Weise passt sich der Potentialgradient der Elektroden an den Potentialgradienten des Plasmastromes an, so dass irgendeine Differenz zwischen :dem Elektrodenpotential und dem Hall Potential innerhalb des Plasmas unwirk sam gemacht wird. Eine innere Zirkulation von Hall- Strömen wird verhindert, und es wird eine verbesserte Arbeitsweise erzielt, wie bereits erläutert wurde.
Magnetohydrodynamischer <I>Generator mit</I> <I>in Reihe geschalteten Elektroden</I> <I>in mehreren Stromkreisen</I> In Fig. 8 ist ein magnetohydrodynamischer Genera tor dargestellt, der einen Kanal 70 aufweist, dem das Plasma 71 zugeführt wird, wie bereits erläutert wurde. Wie in den Ausführungsformen nach Fig. 6 und 7 liefert die Magnetfeldspule 72 einen senkrecht zu der Zeichen ebene verlaufenden Fluss durch den Kanal.
Wie in den anderen Ausführungsformen der Erfindung sind die Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Kanals segmentförmig gestaltet, wobei sich die Elektroden 73a-73h an dem oberen Teil des Kanals und 74a-74h an dem unteren Teil des Kanals befinden, wie in Fig. 8 dargestellt ist.
Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert wurde, erzeugt der Durchgang von elektrisch leitendem Fluidum durch das magnetische Feld eine elektromotorische Kraft, die gleiche Richtung und im wesentlichen gleiche Grösse zwischen jeder der sich ge genüberliegenden Elektroden, wie z. B. 73a-74a, hat. Die Aufmerksamkeit wird jedoch auf den Unterschied der gegenseitigen Verbindung der Elektroden im Ver gleich zu Fig. 7 gerichtet. In Fig. 8 ist die Elektrode 73a durch .den Leiter 75 mit der Elektrode 74c verbunden. Die Elektrode 73b ist mit der Elektrode 74d usw. ver bunden.
Mit anderen Worten: Jede Elektrode an dem oberen Teil .des Generators ist in versetzter Anordnung zur strömungsabwärts liegenden Elektrode an dem un teren Teil des Kanals angeschlossen. Auf diese Weise liegt die Elektrode 74a in einem gewöhnlichen Reihen kreis mit ,dem Plasma und den folgenden Elektroden: 73a, 74c, 73c, 74e, 73e, 74.g und 73g. Die Endelektro- den 74a und 73g sind ihrerseits durch einen Leiter 76 mit einer Belastung 77 verbunden. In gleicher Weise liegt die Elektrode 74b in einem gemeinsamen Reihen kreis mit den folgenden Elektroden: 73b, 74d, 73d, 74f, 73f, 74h und 73h.
Die Endelektroden 74b und 73h sind ihrerseits mittels des Leiters 78 an die Belastung 79 an- geschlossen. Bei :dieser Anordnung :der Verbindungen können zwei vollständig getrennte, ineinandergescho- bene Stromkreise von einem Generator betätigt werden. Im Bedarfsfall können die Belastungen 77 und 79 Wechselrichter aufweisen, die über getrennte Primär wicklung: n einen gemeinsamen Transformator mit einer einzigen Sekundärwicklung speisen. Die Art und Weise des Anschlusses der Belastungen kann jedoch beliebig gewählt werden.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ver ständlich geworden ist, :definieren die Elektroden auf jeder Seite des Generators einen Potentialgradienten in Richtung des Plasmaflusses. Anders nussgedrückt: In Fig. 8 arbeitet die Elektrode 73h mit einem höheren positiven Potential als die Elektrode 73a. Das Gleiche trifft mit Bezug auf die Elektrode 74h, verglichen mit der Elektrode 74a, zu.
Die auf .diese Weise definierten Gradienten passen sich dem inneren longitudinalen Potentialgradienten an und wirken diesem entgegen, der durch Bewegung geladener Teilchen erzeugt wird, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 4 beschrieben wurde. Da das in dem Plasmastrom vorhandene Potential an jedem Punkt dem Potential einer benachbarten Elek trode angepasst ist, existiert keine Potentialdifferenz, welche einen Stromfluss in Längsrichtung durch das Plasma und die Elektroden herzustellen sucht. Hall Ströme werden in wirksamer Weise beseitigt, wodurch eine Gesamtverbesserung der Arbeitsweise erzielt wird.
<I>Abstand benachbarter Elektroden</I> Die Wirkung der Ausführungsform, die in Fig. 7 und 8 gezeigt ist, hängt teilweise von :dem seitlichen Abstand benachbarter Elektroden in Richtung des Plasmaflusses ab. Für bestimmte Plasmabedingungen und eine be stimmte elektromotorische Kraft, welche durch Vorbei bewegung des Plasmas an sich gegenüberliegenden Elektroden induziert wird, ist ein bevorzugter Abstand vorhanden, der :den zugehörigen Gradienten parallel zu der Strömung in Gegenwirkung zu dem Hall-Stromfluss herstellt.
Wird nach Fig. 7 der seitliche Abstand zwi schen benachbarten Elektroden mit x und der durch schnittliche Querabstand zwischen den sich gegenüber liegenden Elektroden mit y bezeichnet, kann :das Ver hältnis von y zu x unter Idealbedingungen (Plasma mit homogenen elektrischen Eigenschaften, dünne Grenz- schichten an den Wandungen des Plasmastromes, gleichförmiges magnetisches Feld, kleine Potentialab fälle an den Elektroden) durch Anwendung der folgen den Formel
EMI0005.0027
bestimmt werden,
wobei e = elektrischer Wirkungsgrad des Generators = äussere Belastungsimpedanz dividiert durch die Summe = äussere Belastungsimpedanz + innere Impedanz des Generators; w = Elektronenzyklotronfrequenz in Radians/sec.; t = mittlere Zeit des Elektrons zwischen Zusammenstössen mit Plasmateilchen in Sekunden.
(Die Werte für w und t für irgendein bestimmtes Plasma können durch Anwendung der Grundsätze er rechnet werden, die in der Literaturstelle Lyman Spitzer, Physies of Fully Ionized Gases , Jr. Interscience Publishers, Inc., 1956 sowie in anderen Standardwerken angegeben sind).
Diese Gleichung kann aus :dem bekannten Ausdruck für den Stromfluss. j. parallel zu dem Plasmastrom:
EMI0005.0042
abgeleitet werden, wobei a = Leitfähigkeit des Plasmas in mho/m Q = wt B = magnetische Feldstärke in Weber Ey = Potentialgradient zwischen Elektroden quer zum Plasmastrom in V/m Ex = Hall-Potentialgradient langitudinal durch den Plasmastrom in V/m u =
makroskopische Geschwindigkeit des Plasmastromes in m/sec Falls :der Hall-Strom :auf Null. vermindert wenden soll, muss :der Ausdruck für j" gleich Null gemacht werden.
Bei Vereinfachung des entstehenden Ausdrucks ergibt sich das folgende Verhältnis von
EMI0005.0061
EMI0005.0062
Das Verhältnis von y zu x für die in Fig. 8 darge- stellte Ausführungsform kann durch Anwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden:
EMI0005.0069
wobei N = die Zahl der indem Generator vorhandenen getrennten Stromkreise ist, ,die bei der Ausführungsform. nach Fig. 8 gleich<I>zwei</I> ist.
Die Gleichartigkeit mit der Gleichung (3) ist zu be achten.
Ein Vorteil der Gestaltung nach Fig. 8 liegt darin, dass der Elektrodenabs:tand N-fach enger als in der Ausführungsform nach Fig. 7 sein kann. Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Elektroidenfläche geschaf fen wird, um den Stromfluss anzupassen und die Grösse unwirksamer Räume zwischen benachbarten Elektroden auf ein Minimum zu verringern.
Die Schaffung von zahlreichen Wegen niedriger Impedanz für den Strom- fluss ergibt einen erhöhten Betriebswirkungsgrad.
An :dieser Stelle erscheint die Bemerkung zweck mässig, :dass ein weiterer Vorteil :der in Fig. 7 und 8 dar- gestellten Elektroden darin besteht, dass getrennte Fokalpunkte zur Bildung von Stromwegen, :d. h. Licht bögen, vorhanden sind. Mit anderen Worten: Bei einer langen kontinuierlichen Elektrode, wie z.
B. der Elek trode gemäss Fig. 5, besteht die Tendenz, dass sieh lei tende Lichtbögen zwischen den Elektroden an verhält- nismässig wenigen Punkten :
der Elektroden konzentrie- ren. Dies führt zu einer Erwärmung und gegebenenfalls zur Zerstörung der Elektroden. In den Ausführungsfor men nach Fig.6-8 sind jedoch die Lichtbögen von Natur aus auf alle vorhandenen Elektroden gerichtet, und es wird eine bessere Stromverteilung und längere Elektro:denlebensdauer erhalten.
Das Verhältnis des Querabstandes zu dem seitlichen Abstand der Elektroden in Fig. 6 ist unwesentlich, da die Beseitigung von Hall-Strömen bei dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung davon abhängt, dass jede Verbindung zwischen benachbarten Elektroden fehlt. Dies beseitigt jeden Weg für Hall-Stromfluss.