Hydrodynamika elektromagnetyczna (EMHD)

Michael Faraday był młody i szczęśliwy. Dopiero niedawno porzucił introligatorstwo i pogrążył się w eksperymentach fizycznych, które wydały mu się dziwne.

Nadchodził nowy rok 1821. Rodzina spodziewała się gości. Kochająca żona upiekła szarlotkę na tę okazję. Główna „uczta”, którą Faraday przygotował dla siebie - kubek rtęci. Srebrna ciecz poruszała się w zabawny sposób, gdy zbliżano do niej magnes. Stacjonarny magnes nie ma wpływu. Goście byli zadowoleni. Wydawało się, że gdy zbliżał się do magnesu, coś „po prostu” pojawiło się w rtęci. Co?

Znacznie później, w 1838 r., Faraday opisał podobny ruch cieczy, ale nie rtęci, ale dobrze oczyszczonego oleju, w którym zanurzono koniec drutu z kolumny galwanicznej. Wirujące wiry strumieni ropy były wyraźnie widoczne.

W końcu, po kolejnych pięciu latach, naukowiec przeprowadził słynny eksperyment Waterloo Bridge, wrzucając do Tamizy dwa przewody podłączone do czułego urządzenia. Chciał wykryć napięcie wynikające z ruchu wody w polu magnetycznym Ziemi.Eksperyment się nie powiódł, ponieważ oczekiwany efekt został stłumiony przez inne, które miały charakter czysto chemiczny.

Ale później z tych eksperymentów wyłoniła się jedna z najciekawszych dziedzin fizyki — hydrodynamika elektromagnetyczna (EMHD) — nauka o oddziaływaniu pola elektromagnetycznego z ośrodkiem ciecz-ciecz… Łączy w sobie elektrodynamikę klasyczną (prawie całą stworzoną przez genialnego naśladowcę Faradaya, J. Maxwella) oraz hydrodynamikę L. Eulera i D. Stokesa.

Rozwój EMHD był początkowo powolny i przez sto lat po Faradaya nie było szczególnie ważnych wydarzeń w tej dziedzinie. Dopiero w połowie tego stulecia zakończono głównie studia teoretyczne. I wkrótce zaczęło się praktyczne wykorzystanie efektu odkrytego przez Faradaya.

Okazało się, że gdy ciecz o dużej przewodności (stopione sole, ciekłe metale) porusza się w polu elektromagnetycznym, pojawia się w niej prąd elektryczny (magnetohydrodynamika — MHD). Słabo przewodzące ciecze (olej, skroplony gaz) również „reagują” na efekt elektromagnetyczny pojawieniem się ładunków elektrycznych (elektrohydrodynamika – EHD).

Oczywiście taką interakcję można również wykorzystać do sterowania prędkością przepływu płynnego ośrodka poprzez zmianę parametrów pola. Ale wymienione ciecze są głównym przedmiotem najważniejszych technologii: metalurgii metali żelaznych i nieżelaznych, odlewnictwa, rafinacji ropy naftowej.

Praktyczne efekty wykorzystania EMHD w procesach technologicznych

EMHD jest związane z problemami inżynieryjnymi, takimi jak powstrzymywanie plazmy, chłodzenie ciekłych metali w reaktorach jądrowych i odlewanie elektromagnetyczne.

Wiadomo, że rtęć jest toksyczna. Ale do niedawna, podczas jego produkcji, nalewano go i przenoszono ręcznie.Pompy MHD wykorzystują teraz przemieszczające się pole magnetyczne do pompowania rtęci przez całkowicie szczelny rurociąg. Gwarantowana jest bezpieczna produkcja i najwyższa czystość metalu, a koszty pracy i energii są obniżone.

Opracowano i stosuje się instalacje z wykorzystaniem EMDG, w których udało się całkowicie wyeliminować pracę ręczną w transporcie stopionego metalu — pompy i instalacje magnetodynamiczne zapewniają automatyzację odlewania aluminium i stopów metali nieżelaznych. Nowa technologia zmieniła nawet wygląd odlewów, czyniąc je jasnymi i czystymi.

Instalacje EMDG są również wykorzystywane do odlewania żeliwa i stali. Wiadomo, że proces ten jest szczególnie trudny do zmechanizowania.

Do produkcji wprowadzono granulatory ciekłego metalu, dające kulki o idealnym kształcie i równych wymiarach. Te „kulki” są szeroko stosowane w metalurgii metali nieżelaznych.

Pompy EHD zostały opracowane i stosowane do chłodzenia lamp rentgenowskich o dużej mocy, w których olej chłodzący przepływa intensywnie w polu elektrycznym wytworzonym przez wysokie napięcie na katodzie lampy. Technologia EHD została opracowana z myślą o przetwórstwie olejów roślinnych, dysze EHD znajdują również zastosowanie w urządzeniach automatyki i robotyki.

Czujniki magnetohydrodynamiczne są wykorzystywane do dokładnych pomiarów prędkości kątowych w inercyjnych systemach nawigacyjnych, np. w inżynierii kosmicznej. Dokładność wzrasta wraz ze wzrostem rozmiaru czujnika. Czujnik może przetrwać trudne warunki.

Generator lub dynamo MHD przekształca ciepło lub energię kinetyczną bezpośrednio w energię elektryczną. Generatory MHD różnią się od tradycyjnych generatorów elektrycznych tym, że mogą pracować w wysokich temperaturach bez ruchomych części.Spaliny generatora plazmy MHD to płomień zdolny do ogrzewania kotłów elektrowni parowej.

Zasada działania generatora magnetohydrodynamicznego jest prawie identyczna z konwencjonalną zasadą działania generatora elektromechanicznego. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego pola elektromagnetycznego w generatorze MHD, jest ono generowane w przewodzie, który przecina linie pola magnetycznego z określoną prędkością. Jeśli jednak ruchome przewody konwencjonalnych generatorów są wykonane z litego metalu w generatorze MHD, reprezentują one przepływ przewodzącej cieczy lub gazu (plazmy).

Model jednostki magnetohydrodynamicznej U-25, Państwowe Muzeum Politechniczne (Moskwa)

W 1986 roku w ZSRR zbudowano pierwszą elektrownię przemysłową z generatorem MHD, ale w 1989 roku projekt został odwołany przed uruchomieniem MHD, a elektrownia ta dołączyła później do Ryazan GRES jako 7. blok energetyczny konstrukcji konwencjonalnej.

Listę praktycznych zastosowań hydrodynamiki elektromagnetycznej w procesach technologicznych można mnożyć. Oczywiście te pierwszorzędne maszyny i instalacje powstały z powodu wysokiego poziomu rozwoju teorii EMHD.

Przepływ płynów dielektrycznych — elektrohydrodynamika — jest jednym z popularnych tematów różnych międzynarodowych czasopism naukowych.