Sähkömagneettinen hydrodynamiikka (EMHD)
Michael Faraday oli nuori ja onnellinen. Vasta äskettäin hän jätti kirjansidonnan ja uppoutui fyysisiin kokeisiin ja siihen, kuinka outoja hän ne piti.
Uusi vuosi 1821 oli tulossa. Perhe odotti vieraita. Rakastava vaimo leipoi tilaisuutta varten omenapiirakan. Tärkein "herkku", jonka Faraday valmisti itselleen - kuppi elohopeaa. Hopeaneste liikkui hauskalla tavalla, kun magneettia siirrettiin sen lähelle. Kiinteällä magneetilla ei ole vaikutusta. Vieraat olivat tyytyväisiä. Näytti siltä, että kun se lähestyi magneettia, jotain "vain" ilmestyi elohopean sisään. Mitä?
Paljon myöhemmin, vuonna 1838, Faraday kuvasi samanlaisen nesteen, mutta ei elohopean, vaan hyvin puhdistetun öljyn liikkeen, johon oli upotettu jännitepylvään johdon pää. Öljyvirtojen pyörivät pyörteet olivat selvästi näkyvissä.
Lopulta, viiden vuoden kuluttua, tutkija suoritti kuuluisan Waterloo Bridge -kokeen pudottamalla kaksi johtoa Thamesiin, jotka oli yhdistetty herkkään laitteeseen. Hän halusi havaita jännityksen, joka aiheutui veden liikkeestä Maan magneettikentässä.Koe epäonnistui, koska odotettua vaikutusta vaimensivat muut, jotka olivat luonteeltaan puhtaasti kemiallisia.
Mutta myöhemmin näistä kokeista syntyi yksi mielenkiintoisimmista fysiikan aloista - sähkömagneettinen hydrodynamiikka (EMHD) - tiede sähkömagneettisen kentän vuorovaikutuksesta neste-nesteväliaineen kanssa… Siinä yhdistyvät klassinen sähködynamiikka (melkein kaikki Faradayn loistava seuraaja J. Maxwellin luoma) ja L. Eulerin ja D. Stokesin hydrodynamiikka.
EMHD:n kehitys oli alun perin hidasta, eikä tällä alalla tapahtunut mitään erityisen merkittävää kehitystä vuosisataan Faradayn jälkeen. Teoreettiset opinnot valmistuivat pääosin vasta tämän vuosisadan puolivälissä. Ja pian Faradayn löytämän vaikutuksen käytännön käyttö alkoi.
Kävi ilmi, että kun erittäin johtava neste (sulat suolat, nestemäiset metallit) liikkuu sähkömagneettisessa kentässä, siihen ilmestyy sähkövirta (magnetohydrodynamiikka - MHD). Huonosti johtavat nesteet (öljy, nestekaasu) "reagoivat" myös sähkömagneettiseen vaikutukseen sähkövarausten ilmaantuessa (elektrohydrodynamiikka - EHD).
On selvää, että tällaista vuorovaikutusta voidaan käyttää myös nestemäisen väliaineen virtausnopeuden säätämiseen kenttäparametreja muuttamalla. Mutta mainitut nesteet ovat tärkeimpien teknologioiden pääkohde: rauta- ja ei-rautametallien metallurgia, valimo, öljynjalostus.
Käytännön tuloksia EMHD:n käytöstä teknologisissa prosesseissa
EMHD liittyy teknisiin ongelmiin, kuten plasman eristämiseen, nestemäisten metallien jäähdytykseen ydinreaktoreissa ja sähkömagneettiseen valuun.
Elohopean tiedetään olevan myrkyllistä. Mutta viime aikoihin asti sen tuotannon aikana se kaadettiin ja siirrettiin käsin.MHD-pumput käyttävät nyt liikkuvaa magneettikenttää elohopean pumppaamiseen täysin suljetun putkiston läpi. Turvallinen tuotanto ja korkein metallin puhtaus taataan, työ- ja energiakustannukset pienenevät.
EMDG:tä käyttäviä asennuksia on kehitetty ja käytössä, jotka onnistuivat täysin eliminoimaan käsityön sulan metallin kuljetuksessa — magnetodynaamiset pumput ja asennukset mahdollistavat alumiinin ja ei-rautametalliseosten kaatamisen automatisoinnin. Uusi tekniikka jopa muutti valukappaleiden ulkonäköä tehden niistä kirkkaita ja puhtaita.
EMDG-laitoksia käytetään myös valuraudan ja teräksen valmistukseen. Tämän prosessin tiedetään olevan erityisen vaikea mekanisoida.
Nestemäiset metallirakeistimet on otettu tuotantoon, jolloin saadaan ihanteellisen muotoisia ja samankokoisia palloja. Näitä "palloja" käytetään laajalti ei-rautametallurgiassa.
EHD-pumput kehitettiin ja niitä käytettiin jäähdyttämään tehokkaita röntgenputkia, joissa jäähdytysöljy virtaa intensiivisesti putken katodissa olevan korkean jännitteen synnyttämässä sähkökentässä. EHD-teknologiaa on kehitetty kasviöljyjen käsittelyyn, EHD-suihkuja käytetään myös automaatio- ja robotiikkalaitteissa.
Magnetohydrodynaamisia antureita käytetään kulmanopeuksien tarkkoihin mittauksiin inertialavigointijärjestelmissä, esimerkiksi avaruustekniikassa. Tarkkuus paranee anturin koon kasvaessa. Anturi kestää ankarat olosuhteet.
MHD-generaattori tai dynamo muuntaa lämmön tai liike-energian suoraan sähköksi. MHD-generaattorit eroavat perinteisistä sähkögeneraattoreista siinä, että ne voivat toimia korkeissa lämpötiloissa ilman liikkuvia osia.Plasma-MHD-generaattorin pakokaasu on liekki, joka pystyy lämmittämään höyryvoimalaitoksen kattiloita.
Magnetohydrodynaamisen generaattorin toimintaperiaate on lähes identtinen sähkömekaanisen generaattorin tavanomaisen toimintaperiaatteen kanssa. Aivan kuten MHD-generaattorin tavanomaisessa EMF:ssä, se syntyy johdossa, joka ylittää magneettikenttäviivat tietyllä nopeudella. Jos tavanomaisten generaattoreiden liikkuvat johdot on kuitenkin valmistettu kiinteästä metallista MHD-generaattorissa, ne edustavat johtavan nesteen tai kaasun (plasman) virtausta.
Magnetohydrodynaamisen yksikön U-25 malli, Valtion ammattikorkeakoulu (Moskova)
Vuonna 1986 rakennettiin Neuvostoliitossa ensimmäinen MHD-generaattorilla varustettu teollisuusvoimalaitos, mutta vuonna 1989 projekti peruttiin ennen MHD:n lanseerausta, ja tämä voimalaitos liittyi myöhemmin Ryazan GRES:ään perinteisen suunnittelun seitsemänneksi voimayksiköksi.
Sähkömagneettisen hydrodynamiikan käytännön sovellusten luetteloa teknologisissa prosesseissa voidaan moninkertaistaa. Tietenkin nämä ensiluokkaiset koneet ja laitteistot syntyivät EMHD-teorian korkean kehitystason vuoksi.
Dielektristen nesteiden virtaus — elektrohydrodynamiikka — on yksi useiden kansainvälisten tieteellisten lehtien suosituimmista aiheista.