Elektromagnetisk hydrodynamik (EMHD)
Michael Faraday var ung och glad. Det var först nyligen som han lämnade bokbindare och fördjupade sig i fysiska experiment och hur konstiga han fann dem.
Det nya året 1821 var på ingång. Familjen väntade gäster. En kärleksfull fru bakade en äppelpaj för tillfället. Den huvudsakliga "godbiten" som Faraday förberedde för sig själv - en kopp kvicksilver. Silvervätskan rörde sig på ett roligt sätt när en magnet flyttades nära den. En stationär magnet har ingen effekt. Gästerna var nöjda. Det verkade som att när den närmade sig magneten så dök något "bara" upp inuti kvicksilvret. Vad?
Långt senare, 1838, beskrev Faraday en liknande rörelse av en flytande, men inte kvicksilver, utan välrenad olja, i vilken änden av en tråd från en voltaisk kolonn var nedsänkt. De virvlande virvlarna av oljeströmmar var tydligt synliga.
Slutligen, efter ytterligare fem år, utförde forskaren det berömda Waterloo Bridge-experimentet genom att släppa två ledningar i Themsen kopplade till en känslig enhet. Han ville upptäcka spänningen till följd av vattnets rörelse i jordens magnetfält.Experimentet misslyckades eftersom den förväntade effekten dämpades av andra som var rent kemiska till sin natur.
Men senare från dessa experiment uppstod ett av fysikens mest intressanta områden— elektromagnetisk hydrodynamik (EMHD) – vetenskap om interaktionen mellan ett elektromagnetiskt fält och ett vätska-vätskemedium… Den kombinerar klassisk elektrodynamik (nästan allt skapad av Faradays briljanta efterföljare J. Maxwell) och hydrodynamiken hos L. Euler och D. Stokes.
Utvecklingen av EMHD var till en början långsam, och under ett sekel efter Faraday skedde ingen särskilt viktig utveckling på detta område. Först i mitten av detta århundrade var de teoretiska studierna i huvudsak avslutade. Och snart började den praktiska användningen av effekten upptäckt av Faraday.
Det visade sig att när en starkt ledande vätska (smälta salter, flytande metaller) rör sig i ett elektromagnetiskt fält, uppstår en elektrisk ström i den (magnetohydrodynamik — MHD). Dåligt ledande vätskor (olja, flytande gas) "reagerar" också på den elektromagnetiska effekten genom uppkomsten av elektriska laddningar (elektrohydrodynamik - EHD).
Uppenbarligen kan en sådan interaktion också användas för att styra flödeshastigheten för ett flytande medium genom att ändra fältparametrarna. Men de nämnda vätskorna är huvudobjektet för de viktigaste teknikerna: metallurgi av järnhaltiga och icke-järnhaltiga metaller, gjuteri, oljeraffinering.
Praktiska resultat av att använda EMHD i tekniska processer
EMHD är relaterat till tekniska problem som plasmainneslutning, kylning av flytande metaller i kärnreaktorer och elektromagnetisk gjutning.
Kvicksilver är känt för att vara giftigt. Men tills nyligen, under tillverkningen, hälldes den och överfördes för hand.MHD-pumpar använder nu ett vandrande magnetfält för att pumpa kvicksilver genom en absolut förseglad rörledning. Säker produktion och högsta metallrenhet garanteras, arbets- och energikostnader sänks.
Installationer med användning av EMDG har utvecklats och är i bruk, vilket lyckades helt eliminera manuellt arbete vid transport av smält metall - magnetodynamiska pumpar och installationer ger automatisering av gjutning av aluminium och icke-järnlegeringar. Den nya tekniken förändrade till och med utseendet på gjutgods, vilket gjorde dem ljusa och rena.
EMDG-anläggningar används också för att gjuta järn och stål. Denna process är känd för att vara särskilt svår att mekanisera.
Flytande metallgranulatorer har introducerats i produktionen, vilket ger sfärer med idealisk form och lika dimensioner. Dessa «kulor» används ofta inom icke-järnmetallurgi.
EHD-pumpar utvecklades och användes för att kyla kraftfulla röntgenrör där kyloljan flödar intensivt i ett elektriskt fält skapat av en hög spänning vid katoden på röret. EHD-tekniken har utvecklats för bearbetning av vegetabilisk olja. EHD-jets används också i automations- och robotutrustning.
Magnetohydrodynamiska sensorer används för noggranna mätningar av vinkelhastigheter i tröghetsnavigeringssystem, till exempel inom rymdteknik. Noggrannheten förbättras när sensorstorleken ökar. Sensorn kan överleva svåra förhållanden.
En MHD-generator eller dynamo omvandlar värme eller kinetisk energi direkt till elektricitet. MHD-generatorer skiljer sig från traditionella elektriska generatorer genom att de kan arbeta vid höga temperaturer utan rörliga delar.Avgaserna från en plasma MHD-generator är en låga som kan värma pannorna i ett ångkraftverk.
Funktionsprincipen för en magnetohydrodynamisk generator är nästan identisk med den konventionella funktionsprincipen för en elektromekanisk generator. Precis som med en konventionell EMF i en MHD-generator genereras den i en tråd som korsar magnetfältslinjerna med en viss hastighet. Men om de rörliga ledningarna i konventionella generatorer är gjorda av solid metall i en MHD-generator representerar de ett flöde av ledande vätska eller gas (plasma).
Modell av den magnetohydrodynamiska enheten U-25, State Polytechnic Museum (Moskva)
1986 byggdes det första industriella kraftverket med en MHD-generator i Sovjetunionen, men 1989 avbröts projektet före lanseringen av MHD, och detta kraftverk anslöt sig senare till Ryazan GRES som den 7:e kraftenheten med konventionell design.
Listan över praktiska tillämpningar av elektromagnetisk hydrodynamik i tekniska processer kan multipliceras. Naturligtvis uppstod dessa förstklassiga maskiner och installationer på grund av den höga utvecklingsnivån för EMHD-teorin.
Flödet av dielektriska vätskor - elektrohydrodynamik - är ett av de populära ämnena i olika internationella vetenskapliga tidskrifter.