3. Прикладная магнитная гидродинамика

Магнитная гидродинамика – «наука о движении электропроводящих газов и жидкостей во взаимодействии с магнитным полем. При движении электропроводящей среды (газа, жидкости), находящейся в магнитном поле, в ней индуцируются электрические поля и токи, на которые действует магнитное поле и которые сами могут повлиять на магнитное поле. Таким образом возникает сложная картина взаимодействия магнитных и гидродинамических явлений, которая должна рассматриваться на основе совместных уравнений гидродинамики и электродинамики» [1].

Магнитная гидродинамика является наукой, возникшей на границе двух сложившихся физических дисциплин – механики сплошных сред, частью которой является гидродинамика, и классической электродинамики, т.е. учения об электрических и магнитных явлениях, сформулированного в законченном виде Фарадеем и Максвеллом.

В магнитной гидродинамике так же, как в механике сплошной среды и в электродинамике, не предполагается атомарно-молекулярное строение вещества и является достаточной гипотеза о непрерывности последнего. Сущность этой гипотезы заключается в том, что всякое материальное тело может быть разбито на «частицы», т. е. на достаточно малые области произвольной формы, непрерывно примыкающие друг к другу через любые проведенные мысленно границы раздела. Каждая частица, таким образом, окружена границами, отделяющими ее от соседних частиц, или границей раздела фаз, если она примыкает к ней. Размеры и форма частиц, на которые разбивается среда, в некоторой степени произвольны. Однако эти размеры ограничены сверху требованием однородности всех величин, характеризующих частицу, в пределах объема самой частицы. Так, угловая скорость вращения , плотность импульса, плотность кинетической энергии, температураи ее градиент, плотность энтропии, плотность тока, проводимость, величина индукции магнитного поляи другие могут считаться одинаковыми в пределах всей частицы. С другой стороны, размеры частицы, как части непрерывной субстанции, ограничены снизу так, чтобы не было заметно молекулярное строение вещества, чтобы флуктуации параметров, вызванные тепловым движением, были заведомо ниже точности наших измерений.

Таким образом, в магнитной гидродинамике используется макроскопическое понятие о жидкости и газе, они рассматриваются как непрерывная материя, их молекулярная структура не учитывается. При рассмотрении процессов, связанных с воздействием магнитного и электрического полей на вещество, магнитная гидродинамика не рассматривает электронную структуру вещества, основывается на макроскопических представлениях Фарадея-Максвелла.

Существует близкая к магнитной гидродинамике отрасль науки – физика плазмы. Она находится на грани между молекулярно-кинетической теорией газов и электронной теорией вещества, изучает поведение ионизированного газа в различных условиях, в том числе и в электромагнитном поле. Предельным переходом физики плазмы является магнитная гидродинамика. Часть задач физика плазмы может рассматривать в магнитогидродинамическом приближении.

Можно предвидеть возникновение пограничных областей науки, аналогичных магнитной гидродинамике. Действительно, между механикой сплошной среды и электродинамикой сплошной среды возникли, например, электрогидродинамика и феррогидродинамика. Электрогидродинамика рассматривает поведение диэлектрических жидкостей в электрическом поле, а феррогидродинамика – поведение ферромагнитных суспензий в магнитном поле.

Развитие техники определяется развитием науки. В свою очередь техника и любознательность человека формируют «заказ» науке. Техническая потребность – сильнейший стимул для ее развития. Это мы видим, изучая историю различных наук.

Магнитная гидродинамика как наука – не исключение. Ее развитие в очень большой степени определялось развитием техники, и в частности, разработкой различных магнитогидродинамических устройств (насосов, генераторов, расходомеров, дозаторов и т.п.), а также созданием различных бесконтактных способов, изменяющих в какой-то степени свойства проводящей среды или конечного продукта технологической цепи (воздействие электромагнитного поля на кристаллизующийся слиток, отливка при помощи высокочастотных полей изделий сложной формы, сепарация, использование электромагнитного поля для выращивания кристаллов и т.д.). Теория этих устройств, процессов, как в общем, так и теория магнитогидродинамических течений в каналах, является предметом многих специальных монографий, часть из которых мы приводим в библиографическом списке в соответствующем разделе.

До некоторых пор казалось, что можно было говорить о какой-то идейной и методической завершенности магнитной гидродинамики, но технические проблемы металлургии цветных металлов и стали, термоядерного синтеза, проблемы управления потоками жидкого металла в реакторах на быстрых нейтронах, использование магнитного поля в качестве средства воздействия на твердые проводящие тела, когда магнитное давление превышает предел текучести материала, ставят перед исследователями новые задачи, часть из которых может быть решена методами магнитной гидродинамики. Вместе с тем необходимо констатировать, что магнитная гидродинамика в какой-то степени не оправдала тех ожиданий, которые были связаны с ней в конце прошлого века: техника и инженеры неохотно пускают на свои объекты все новое, требующее капитальных вложений. В этом проявляется особенность техники – развивается быстро то, что дает сиюминутную прибыль, а отдаленные результаты, да еще требующие инвестиций, мало волнуют сегодняшних бизнесменов. Но у науки свои законы развития: даже малая крупица знания не пропадает. Обязательно наступит момент, когда она будет востребована. Хотелось бы только, чтобы последующие поколения исследователей не открывали заново то, что уже было исследовано и открыто замечательными учеными, стоявшими у истоков магнитной гидродинамики как науки.

Поиск ученых продолжается. Исследователи выходят в экстремальные области магнитной гидродинамики: в области сильных магнитных полей, (большие значения чисел Гартмана и Стюарта), в области относительно больших линейных размеров, скоростей и частот (большие значения магнитного числа Рейнольдса). Изучение этих областей привело к выводу о том, что переход к экстремальным значениям параметров магнитной гидродинамики есть не просто упрощение ряда формул при предельном переходе, а очень часто – появление новых промежуточных областей науки: электромагнитной механики твердого тела, магнитной механики сыпучих сред, магнитной гидродинамики гетерогенных сред и т.п. При экстремальных значениях параметров магнитной гидродинамики можно наблюдать целый ряд новых физических явлений, как-то: магнито-стабилизированное состояние суспензии, появление «вязкого ядра» при течении проводящей жидкости в осесимметричном магнитном поле, явление самовозбуждения магнитного поля, целый ряд новых явлений в плазменной струе.