Manyeto-hidrodinamik (MHD) bir davranışını tanımlayan bir bilim dalıdır sıvı elektrik akımının iletken varlığında elektromanyetik alanlar . Özellikle plazmalar , dış çekirdek ve hatta deniz suyu için geçerlidir .
Elektromanyetizma ( Maxwell denklemleri ) ile birlikte hidrodinamiğin (daha yaygın olarak Navier-Stokes denklemleriyle tanımlanan sıvı dinamiği olarak adlandırılır) bir genellemesidir . "Klasik" akışkanlar mekaniği ve manyetohidrodinamik arasında, iyonize sıvıların elektrik alanlarının ( elektrostatik ) varlığında , ancak manyetik alan olmadan elektrohidrodinamiği veya mekaniği vardır .
Manyetohidrodinamik enerji santralleri , azaltılmış çevresel etkiyle büyük ölçekli enerji üretimi potansiyeli sunar . MHD jeneratörleri, büyük elektrik gücü darbeleri üretmek için de ilgi çekicidir.
Konuyla ilgilenen ilk bilim insanı , 1821'de Humphry Davy , bir elektrik arkının bir manyetik alan tarafından saptırılabileceğini gösterdiğinde oldu . On yıl sonra, Michael Faraday , bir varlığını göstermek için planlar elektromotor kuvveti bir de hareketli elektrik iletkeni tabi dünyanın manyetik alanının ; elektromanyetik indüksiyon olgusudur . Bu düşünceyle, Ocak 1832 yılında bir ilk konsept mükemmelleştirilmiş MHD jeneratörü o test Waterloo köprüsü de Londra'da . Tesadüfi olmasına rağmen, bu deneyim Lenz-Faraday yasasına yol açacaktır .
MHD tarafından araştırma devam derinlemesine Elektrik üretimi XX inci yüzyıl, ilk Macar fizikçi tarafından yürütülen Béla Karlovitz (in) laboratuvarları bir MHD jeneratörü geliştirir Westinghouse , arada 1938 yılında fizikçi İsveç Hannes Alfven ilk kişi oldu, terimini kullanmak MHD 1942, ilerlemesini çalışmalar Alfvén dalgaların olarak plazma içinde magnetosphere . İkinci Dünya Savaşı sırasında kesintiye uğrayan MHD'deki geliştirme ve araştırma, 1960'larda Richard J. Rosa'nın çalışması ve daha sonra Avco Everett laboratuvarlarında araştırmaya başlayan Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı'nın yardımı sayesinde yeniden başladı.
Aynı zamanda, plazma fiziğinin yeni teknolojik gelişmelere olası uygulamaları ( şok dalgalarının zayıflaması ve yansıması , nükleer füzyon , MHD tahrik ) mühendisler tarafından başlatılan ilk çalışmaları yönlendirmektedir sırasında stratejik araştırma vektörü olarak MHD iten Soğuk Savaş tarafından gizliliği kaldırılan bir belgenin de tanıklık ettiği gibi Amerikan Hava Kuvvetleri 1992 yılında ve dergisi tarafından dağıtılan Jane'in Defence Weekly İlk yönettiği 1998 yılında Tom Clancy casusunun romanında Kızıl Ekim Avı , MHD tahrik modu daha sonra 1990'da romanın film uyarlaması In Pursuit of Red October'da kamuoyuna açıklandı . Bu kurgu, 19 Haziran 1992'de Japon sivil MHD destekli ilk navigasyonla gerçeğe dönüştü. gemi göstericisi, Yamato 1 .
Gereken karmaşıklık derecesine bağlı olarak birkaç manyetohidrodinamik modeli vardır. En çok kullanılan ve daha basit olanları şunlardır:
Bir ya da iki modellerinin diğer seçimi değerine bağlıdır , manyetik Reynolds sayısı Ar m . MHD'de kullanılan bu sayı , hidrodinamikteki Reynolds sayısına benzer şekilde adlandırılır , manyetik alana maruz kalan bir akışkandaki difüzyonla karşılaştırıldığında konveksiyon teriminin önemini gösterir.
Bununla birlikte, ideal MHD ile dirençli MHD arasındaki seçime ek olarak, çalışmanın yapıldığı sıvının viskozitesi de gereklidir. Bunun için manyetik kuvvetlerin ve viskozite kuvvetlerinin oranı olan Hartmann sayısını sunuyoruz .
İdeal MHD aynı zamanda yüksek bir şekilde bilinmektedir, manyetik Reynolds sayısı (R, m, »1), MHD en basit formudur. Güçlü bir manyetik alana maruz kalan akışkan, çok az veya hiç elektrik direncine sahip değil gibi muamele görür ve mükemmel bir iletkene asimile edilir. Lenz kanunu sıvı ve manyetik alan çizgileri iç içe geçmiş şekilde geçerlidir: alan çizgileri ( " "donmuş" olduğunu söylemek donmuş (biz de sıvı manyetik alanda donmuş olduğunu söyleyebiliriz) sıvı içinde"). Sıvı, bu alanda olan manyetik alan Bo ortogonal olan bir dalga yönü olarak aynı yönde yayılır, söz konusu demek olan bir sabit ve düzgün bir manyetik alan Bo batırılır mükemmel bir iletken, olduğu durumda Alfvén'in teoremi olan memnun. Bir benzetme, sıvıyı bir tarakla ve alan çizgilerini saçla karşılaştırmaktır: saçın hareketi tam olarak tarağın hareketini takip eder. Bu ideal MHD, doğal ( yıldızlar ) veya yapay ( tokamaks ) kaynaklı astrofiziksel ve termonükleer plazmalar gibi sıcak plazmalarda incelenmiştir .
İdeal MHD'nin denklemleri , süreklilik denklemi , momentum yasaları , Ampere teoremi (elektrik alanı ve elektron saçılımının olmadığı sınırlar dahilinde) ve termodinamiğin ( enerji korunumu ) denklemlerinden oluşur . Bir kinetik sistemin herhangi bir sıvı tanımlaması gibi , ısı akışının yaklaşık değerleri adyabatik veya izotermal koşullar aracılığıyla yapılır .
Dirençli MHD olarak adlandırılan, düşük manyetik Reynolds sayısı (R, m, ≤ 1) mıknatıslanmış sıvı ve mükemmel iletken olmayan açıklanmaktadır. Genel olarak, plazmanın bileşenleri arasındaki çarpışmalardan kaynaklanan ve manyetik enerjiyi ısıya dönüştüren (Joule ısıtması) bir dirençten bahsediyoruz. Direnç önemsiz olmadığında ( Reynolds sayısı küçük), Alfven teoremi artık tatmin olmaz ve manyetik topoloji kırılabilir.
Kusursuz iletken olarak kabul edilen bir akışkanda, akışkan içindeki manyetik alanın gelişimi dirençli indüksiyon denklemi ile verilir. Manyetik alanın zamanla yerel değişimi, akışkan tarafından ilerletilmesinin ve akışkan içindeki difüzyonunun sonucudur. Reynolds sayısı difüzyon operatörünün tersidir, ne kadar büyükse, adveksiyona göre o kadar fazla difüzyon ihmal edilebilir. Bir difüzyon süresi oluşturarak difüzyonun önemini ölçebiliriz.
Örneğin, Güneş'te , aktif bir bölge (çarpışma direnci) boyunca yayılma süresini, bir güneş lekesinin ömründen çok daha uzun bir süre olan yüzlerce veya binlerce yıl olarak tahmin ediyoruz, bu nedenle direnci ihmal ediyoruz (durum ideal MHD). Tersine, bir metreküp deniz suyunun milisaniye cinsinden ölçülen ve dikkate alınması gereken bir difüzyon süresi vardır (dirençli MHD). İdeal MHD ile karşılaştırıldığında, dirençli MHD, Ampere teoreminin çarpışma direncini modellemesinde ek bir terim anlamına gelir .
Oldukça büyük fiziksel sistemlerde ve iyi iletkenlerde bile, dirençliliğin göz ardı edilebileceği önsel olarak görünse de, ikincisi yine de önemli olabilir: özellikle plazmalarda, onu çok güçlü bir şekilde artırabilen birçok kararsızlık meydana gelir (1 milyar faktörü ile) ). Bu artan direnç genellikle, elektrik katman akımları veya lokalize elektronik ve manyetik türbülans gibi küçük ölçekli yapıların oluşumunun bir sonucudur (örneğin , yüksek Hall parametresine sahip plazmalardaki elektrotermal kararsızlığa bakınız ).
Soğuk plazmaları kullanan endüstriyel MHD-gazı (denge dışı, sadece elektron gazının 10.000 K'ye ısıtıldığı , geri kalan gazın (iyonlar ve nötrler) 4000 K civarında soğuk olduğu ) buna düşer. MHD kategorisi düşük manyetik Reynolds sayısı.
Gerekli inceliğe bağlı olarak, sıvıda meydana gelen farklı etkiler dikkate alınarak MHD'nin temel modeli daha karmaşık hale getirilebilir. Böylece , çift akışkan MHD olan MHD-Hall'u yaratabiliriz ...
Sıvı çekirdek bölgesinin Dünya ve diğer gezegen mevcut teori, devasa göre, bir MHD dinamo oluşturur dünyanın manyetik alanı (yerçekimi). Bu fenomen , metal dış çekirdeğin konveksiyon hareketlerinden ve indüklenen elektrik akımlarından kaynaklanıyor olabilir.
Astrophysics MHD tarif edilen birinci alan oldu. Gerçekte, evrenin gözlemlenebilir maddesi, yıldızlar , gezegenler arası (bir yıldız sisteminin gezegenleri arasındaki boşluk ) ve yıldızlararası ( yıldızlar arasında), bulutsular ve jetler dahil olmak üzere% 99'dan fazla plazmadan oluşur . Lekeleri manyetik alanı kaynaklanır Güneş teorize olarak, Joseph LARMOR 1919 yılında güneş rüzgar da MHD tarafından gibi yönetilir güneş patlamaları (alan çizgileri ve parçacıklar ve yüksek enerjili radyasyon ejeksiyon süreksizliklerini).
MHD, alüminyum üretimi için elektroliz hücrelerinin tasarımında ve yönetiminde yer almaktadır . Yoğun elektromanyetik alanlar, alüminyum ve anotlar arasında minimum bir mesafe oluşturan dalgalar oluşturarak sıvıları (alüminyum ve elektrolit) harekete geçirir.
MHD teorik olarak plazmaların kapatılmasında (stabilizasyon, çıkarma veya sıkıştırma), özellikle füzyon makinelerinde manyetik hapsetme ( tokamaks gibi ) veya manyetik boyunlu cihazlar ( Z makinesi gibi ) ile termonükleer sıcak plazmalarda kullanılır .
MHD, aynı zamanda , elektromanyetik kuvvet ( Lorentz kuvveti olarak adlandırılır ) vasıtasıyla akışkan üzerinde hareket eden ve kullanılabilen MHD dönüştürücüler adı verilen, hareketli parçaları olmayan elektromanyetik makineler şeklindeki teknolojik uygulamaların da doğrudan kalbinde yer almaktadır :
Başında Beton endüstriyel başarıları XXI inci yüzyıl , hala deneysel veya askeri sır kapsamına vardır. Pek çok zorlukla karşı karşıya kalırlar: süper iletken elektromıknatıslar kullanılarak güçlü manyetik alanların üretimi, yeterli elektrik gücü üretimi, korozyona dirençli iletken malzemeler ... ve özellikle MHD-gazına: yüksek sıcaklıklara ve akım yoğunluklarına dayanıklı malzemeler , verimli gaz iyonizasyon sistemleri , yüksek Hall parametreleri ile soğuk plazmaların teorik yönlerine hakimiyet , vb.
Manyetohidrodinamik tahrik bağlamında, bir tekne bu fenomeni kullanarak ileriye doğru hareket ettirilebilir: Japonların Yamato 1 botu ile bir MHD nozulu oluşturarak başardığı şey budur .
MHD tahrik, elektrotların kullanılmasını gerektirir. Bunların arasında, sistem sürekli bir yoğunluk ile hareket ettirildiğinde, manyetik alana ortogonal bir elektrik alanı yaratılır ve ardından bir itme veya Laplace kuvveti uygular . Nozüldeki elektrotlar ve indüktör tarafından oluşturulan hız alanı Maxwell denklemleri ve hidrodinamiği kullanılarak elde edilir : hız alanının manyetik alana bağlanması hız profilini tanımlamayı mümkün kılar. Bir Hartmann akışı bağlamında (iki paralel sonsuz plaka arasında sıkıştırılamaz olduğu varsayılan viskoz iletken bir sıvının durağan ve laminer akışı), hız alanı Hartmann yasasına tabidir: bu, Hartmann sayısının değerine göre tartışılır. Bu tür bir itme, elektrik ve manyetik alanların bağımsızlığı nedeniyle avantajlı ise, elektrotların kullanımından kaynaklanan elektroliz bir sorun teşkil eder. Elektrik alanı ve deniz suyunda bulunan iyonlar arasındaki etkileşimler, katotta ikincisinin birikmesine neden olarak , elektriksel olarak yalıtkan olan kalsiyum ve magnezyum hidroksitin yanı sıra gazın salınmasına neden olur. Sıvının iletken özelliklerini bloke etmenin yanı sıra, bu salım son derece gürültülüdür: yüksek basınçta kavitasyon fenomenine benzer; 100 ° C'de gerçekleşen suyun buharlaşması , teknenin göze batmadan kalmasını imkansız kılan özel bir ses çıkarır.