電磁流体力学 (EMHD)

マイケル・ファラデーは若くて幸せでした。彼が製本業者を辞めて物理実験に没頭したのはつい最近のことであり、それがどれほど奇妙であるかを感じました。

1821年の新年がやって来ました。家族は来客を待っていた。愛する妻がこの機会にアップルパイを焼きました。ファラデーが自分のために用意した主な「おやつ」は、水銀一杯です。磁石を近づけると銀色の液体がおかしな動きをしました。固定磁石には効果がありません。ゲストも満足してくれました。磁石に近づくにつれて、水銀の中に何かが「ちょうど」現れたようです。何？

ずっと後の 1838 年に、ファラデーは、水銀ではなく十分に精製された油の同様の動きを、ボルタ電柱からのワイヤーの端が浸漬された液体について記述しました。油の流れの渦がはっきりと見えました。

さらに 5 年後、研究者は最後に、高感度のデバイスに接続された 2 本のワイヤーをテムズ川に落とすという有名なウォータールー橋の実験を実行しました。彼は、地球の磁場の中での水の動きから生じる張力を検出したいと考えていました。純粋に化学的な性質のものによって期待された効果が弱められたため、実験は失敗に終わりました。

しかしその後、これらの実験から、物理学の最も興味深い分野の 1 つが生まれました。 電磁流体力学 (EMHD) — 電磁場と液体-液体媒体との相互作用の科学… それは、古典的な電気力学 (ファラデーの優れた信奉者である J. マクスウェルによってほぼすべてが作成された) と、L. オイラーと D. ストークスの流体力学を組み合わせたものです。

EMHD の開発は当初ゆっくりとしており、ファラデーの死後 1 世紀の間、この分野では特に重要な発展はありませんでした。理論的な研究が主に完了したのは今世紀半ばになってからです。そして間もなく、ファラデーが発見した効果の実用化が始まりました。

導電性の高い液体 (溶融塩、液体金属) が電磁場内で移動すると、その中に電流が現れることが判明しました (磁気流体力学 - MHD)。導電性の低い液体 (オイル、液化ガス) も、電荷の出現により電磁効果に「反応」します (電気流体力学 - EHD)。

明らかに、このような相互作用は、場のパラメーターを変更することによって液体媒体の流量を制御するために使用することもできます。しかし、前述の液体は、鉄および非鉄金属の冶金、鋳造、石油精製といった最も重要な技術の主な対象です。

技術プロセスでEMHDを使用した実践結果

EMHD は、プラズマの封じ込め、原子炉内の液体金属の冷却、電磁鋳造などの工学的問題に関連しています。

水銀は有毒であることが知られています。しかし、最近まで、製造中は手作業で注がれ、移されていました。MHD ポンプは現在、移動磁場を使用して、完全に密閉されたパイプラインを通して水銀を汲み上げます。安全な生産と最高の金属純度が保証され、人件費とエネルギーコストが削減されます。

EMDG を使用した設備が開発され、現在使用されています。これにより、溶融金属の輸送における手作業を完全に排除することができました。磁気力学的ポンプと設備により、アルミニウムおよび非鉄合金の注入が自動化されます。新しい技術により、鋳物の外観も変わり、明るくきれいになりました。

EMDG プラントは鉄や鋼の鋳造にも使用されます。このプロセスは機械化が特に難しいことが知られています。

液体金属造粒機が生産に導入され、理想的な形状と等しい寸法の球体が得られます。これらの「ボール」は非鉄冶金で広く使用されています。

EHD ポンプは、強力な X 線管を冷却するために開発され、管の陰極の高電圧によって生成された電界内で冷却オイルが集中的に流れます。 EHD 技術は植物油処理用に開発されており、EHD ジェットはオートメーションやロボット装置にも使用されています。

磁気流体力学センサーは、宇宙工学などの慣性航法システムにおける角速度の正確な測定に使用されます。センサーサイズが大きくなるほど精度が向上します。センサーは過酷な条件にも耐えることができます。

MHD 発電機またはダイナモは、熱または運動エネルギーを直接電気に変換します。 MHD 発電機は、可動部品なしで高温で動作できるという点で従来の発電機とは異なります。プラズマ MHD 発電機の排気ガスは、蒸気発電所のボイラーを加熱できる火炎です。

磁気流体力学発電機の動作原理は、従来の電気機械発電機の動作原理とほぼ同じです。 MHD 発電機の従来の EMF と同様に、一定の速度で磁力線を横切るワイヤ内で EMF が生成されます。ただし、MHD 発電機では従来の発電機の可動ワイヤが固体金属でできている場合、ワイヤは導電性の液体またはガス (プラズマ) の流れを表します。

磁気流体力学ユニット U-25 のモデル、国立工科大学 (モスクワ)

1986年に、MHD発電機を備えた最初の産業用発電所がソ連に建設されましたが、1989年にプロジェクトはMHDの立ち上げ前に中止され、この発電所は後に従来設計の7番目の発電ユニットとしてリャザンGRESに加わりました。

技術プロセスにおける電磁流体力学の実際的な応用例はさらに増える可能性があります。もちろん、これらの一流の機械や設備は、EMHD 理論の高度な発展によって生まれました。

誘電性流体の流れ、つまり電気流体力学は、さまざまな国際科学雑誌で人気のあるトピックの 1 つです。