Электромагнитная гидродинамика (ЭМГД) - это наука, которая изучает явления, возникающие при взаимодействии электромагнитного поля с жидко-текучей средой, такой как плазма, жидкие металлы, нефть и др.
Эта область физики имеет большое теоретическое и практическое значение, так как она объясняет многие процессы в космосе, атомной энергетике, лазерной физике и других областях.
В этой статье мы расскажем об истории и основных положениях ЭМГД, а также о различных эффектах, связанных с ней, таких как магнитная гидродинамика (МГД) и электрогидродинамика (ЭГД).
История открытия электромагнитной гидродинамики (ЭМГД)
Майкл Фарадей был молод и счастлив. Лишь недавно он оставил переплетное дело и погрузился в физические опыты, а как много диковинного обнаружил.
Наступал новый 1821 год. Семья ждала гостей. Любящая жена по этому случаю испекла яблочный пирог. Главное «угощение» Фарадей приготовил сам — чашку со ртутью. Серебристая жидкость забавно двигалась, когда возле нее перемещали магнит. Неподвижный магнит никакого действия не оказывал. Гости были в восторге. Казалось, при сближении с магнитом что-то «само» появляется внутри ртути. Что же?
Много позже, в 1838 году, Фарадей описал похожее движение жидкости, но уже не ртути, а хорошо очищенного масла, в которое опускался конец провода от вольтова столба. Были ясно видны стремительные водовороты масляных струй.
Наконец, еще через пять лет исследователь выполнил знаменитый опыт на мосту Ватерлоо, опустив в Темзу два проводника, подключенные к чувствительному прибору. Он хотел обнаружить напряжение, возникшее от движения воды в Maгнитном поле Земли. Опыт был неудачен, так как ожидаемый эффект заглушался другими, имевшими чисто химическую природу.
Но впоследствии из этих экспериментов возникла одна из интереснейших областей физики — электромагнитная гидродинамика (ЭМГД) — наука о взаимодействии электромагнитного поля с жидко-текучей средой. Она объединила классическую электродинамику (ее почти всю создал гениальный последователь Фарадея Дж. Максвелл) и гидродинамику Л. Эйлера и Д. Стокса.
Развитие ЭМГД сначала шло медленно, и целый век после Фарадея особо важных событий в этой области не отмечалось. Лишь в середине нашего столетия были, в основном, завершены теоретические исследования. А вскоре началось практическое использование открытого Фарадеем эффекта.
Оказалось, что при движении сильно-проводящей жидкости (расплавы солей, жидкие металлы) в электромагнитном поле в ней возникает электрический ток (магнитная гидродинамика — МГД). Слабопроводящие жидкости (нефть, сжиженный газ) также «откликаются» на электромагнитное воздействие появлением электрических зарядов (электрогидродинамика — ЭГД).
Очевидно, что такое взаимодействие можно использовать и, меняя параметры поля, управлять скоростью течения жидкой среды. А ведь упомянутые жидкости — основной объект важнейших технологий: металлургии черных и цветных металлов, литейного дела, переработки нефти.
Практические результаты применения ЭМГД в технологических процессах
ЭМГД связана с такими инженерными задачами, как удержание плазмы, жидкометаллическое охлаждение ядерных реакторов и электромагнитное литье.
Известно, как токсична ртуть. Но еще недавно при изготовлении ее переливали и переносили вручную. Теперь МГД-насосы с помощью бегущего магнитного поля перекачивают ртуть по абсолютно герметичному трубопроводу. Гарантированы безвредность производства и высочайшая чистота металла, снижены трудовые и энергетические затраты.
Разработаны и используются установки с применением ЭМДГ, которые смогли полностью устранить ручной труд при транспортировке расплавленного металла — магнитодинамические насосы и установки обеспечивают автоматизацию заливки алюминия и цветных сплавов. Новая технология изменила даже облик литейных цехов, сделав их светлыми и чистыми.
Применяются ЭМДГ-установки и для заливки чугуна и стали. Этот процесс, как известно, особенно трудно механизировать.
В производства внедрены грануляторы жидких металлов, дающие сферы идеальной формы и одинаковых размеров. Эти «шарики» широко применяются в цветной металлургии.
Разработаны и применяются для охлаждения мощных рентгеновских трубок ЭГД-насосы, в которых охлаждающее масло интенсивно течет в электрическом поле, созданном высоким напряжением на катоде трубки. Разработана ЭГД-технология обработки растительного масла. ЭГД-струи также использовуются в устройствах автоматики и робототехники.
Магнитогидродинамические датчики используются для точных измерений угловых скоростей в инерциальных навигационных системах, например, в аэрокосмической технике. Точность улучшается с увеличением размера датчика. Датчик способен выжить в суровых условиях.
МГД-генератор или динамо-машина преобразует тепловую или кинетическую энергию непосредственно в электричество. МГД-генераторы отличаются от традиционных электрических генераторов тем, что они могут работать при высоких температурах без движущихся частей. Выхлоп плазменного МГД-генератора представляет собой пламя, способное нагревать котлы паровой электростанции.
Принцип работы магнитогидродинамического генератора практически идентичен обычному принципу работы электромеханического генератора. Так же, как и в обычной ЭДС в МГД-генераторе, она генерируется в проводнике, который пересекает силовые линии магнитного поля с определенной скоростью. Однако, если подвижные проводники обычных генераторов сделаны из твердого металла в МГД-генераторе, они представляют собой поток проводящей жидкости или газа (плазмы).
Модель магнитогидродинамической установки У-25, Государственный Политехнический музей (Москва)
В 1986 году в СССР была построена первая промышленная электростанция с МГД-генератором, но в 1989 году проект был отменен до запуска МГД, и эта электростанция позже присоединилась к Рязанской ГРЭС в качестве 7-го энергоблока обычной конструкции.
Список практического применения электромагнитной гидродинамики в технологических процессах можно многократно увеличить. Разумеется, первоклассные эти машины и установки возникли благодаря высокому уровню развития теории ЭМГД.
Течение диэлектрических жидкостей — электрогидродинамика — одна из популярных тем различных международных научных журналов.