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磁流體在磁場(chǎng)的作用下形成豐富的微觀結(jié)構(gòu),這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光產(chǎn)生不同的影響,能在很大的程度上改變光的透射率和折射率、產(chǎn)生大的法拉第旋轉(zhuǎn)、磁二向色散性、克爾效應(yīng)等。磁流體的這種在磁場(chǎng)中的特性可以用在磁光開關(guān)、磁光隔離器、磁光調(diào)制器、粗波分復(fù)用器等。

磁流體力學(xué)是結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的方法,研究導(dǎo)電流體和磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科,它包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)分支。

磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)力作用于靜平衡的問(wèn)題;磁流體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相互作用的動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)規(guī)律。磁流體力學(xué)通常指磁流體動(dòng)力學(xué),而磁流體靜力學(xué)被看作磁流體動(dòng)力學(xué)的特殊情形。

導(dǎo)電流體有等離子體和液態(tài)金屬等。等離子體是電中性電離氣體,含有足夠多的自由帶電粒子,所以它的動(dòng)力學(xué)行為受電磁力支配。宇宙中的物質(zhì)幾乎全都是等離子體,但對(duì)地球來(lái)說(shuō),除大氣上層的電離層和輻射帶是等離子體外,地球表面附近(除閃電和極光外)一般不存在自然等離子體,但可通過(guò)氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對(duì)論電子束和激光等方法產(chǎn)生人工等離子體。

能應(yīng)用磁流體力學(xué)處理的等離子體溫度范圍頗寬,從磁流體發(fā)電的幾千度到受控?zé)岷朔磻?yīng)的幾億度量級(jí)(還沒有包括固體等離子體)。因此,磁流體力學(xué)同物理學(xué)的許多分支以及核能、化學(xué)、冶金、航天等技術(shù)科學(xué)都有聯(lián)系。

1940~1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道的"引導(dǎo)中心"理論、磁凍結(jié)定理、磁流體動(dòng)力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽(yáng)黑子理論,1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書中集中討論了他的主要工作,推動(dòng)了磁流體力學(xué)的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場(chǎng)來(lái)保存等離子體的所謂磁約束問(wèn)題,即磁流體靜力學(xué)問(wèn)題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束,就是利用這個(gè)原理來(lái)約束溫度高達(dá)一億度量級(jí)的等離子體。

然而,磁約束不易穩(wěn)定,所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問(wèn)題。1951年,倫德奎斯特給出一個(gè)穩(wěn)定性判據(jù),這個(gè)課題的研究至今仍很活躍。

1、碾磨法。即把磁性材料和活性劑、載液一起碾磨成極細(xì)的顆粒,然后用離心法或磁分離法將大顆粒分離出來(lái),從而得到所需的磁流體。這種方法是最直接的方法,但很難得到300nm以下直徑的磁流體顆粒。

2、解膠法。是鐵鹽或亞鐵鹽在化學(xué)作用下產(chǎn)生Fe3O4或γ-Fe2O3,然后加分散劑和載體,并加以攪拌,使其磁性顆粒吸附其中,最后加熱后將膠體和溶液分開,得到磁流體。這種方法可得到較小顆粒的磁流體,且成本不高,但只使用于非水系載體的磁流體的制作。

3、熱分解法。是將磁性材料的原料溶入有機(jī)溶劑,然后加熱分解出游離金屬,再在溶液中加入分散劑后分離,溶入載體就得到磁流體。

4、蒸著法。是在真空條件下把高純度的磁性材料加熱蒸發(fā),蒸發(fā)出來(lái)的微粒遇到由分散劑和載體組成的地下液膜后凝固,當(dāng)下地液膜和磁性微粒運(yùn)動(dòng)到下地液中,混合均勻就得到磁流體。這種方法得到的磁流體微粒很細(xì),一般在2-10nm的粒子居多。

5、放電法。其原理與電火花加工相仿,是在裝滿工作液(經(jīng)常與載體相同)的容器中將磁性材料粗大顆粒放在2個(gè)電極之間,然后加上脈沖電壓進(jìn)行電火花放電腐蝕,在工作液中凝固成微小顆粒,把大顆粒濾去后加分散劑即可得到磁流體。

理想導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)影響的問(wèn)題;或流體靜止時(shí),流體電阻對(duì)磁場(chǎng)影響的問(wèn)題,其中包括磁凍結(jié)和磁擴(kuò)散。

通過(guò)磁場(chǎng)力來(lái)考察磁場(chǎng)對(duì)靜止導(dǎo)電流體或理想導(dǎo)電流體的約束機(jī)制。這個(gè)問(wèn)題是磁流體靜力學(xué)的研究范疇,對(duì)受控?zé)岷朔磻?yīng)十分重要。磁流體靜力學(xué)在天體物理中,例如在研究太陽(yáng)黑子的平衡、日珥的支撐、星際間無(wú)作用力場(chǎng)等問(wèn)題的解決中也很重要。

研究磁場(chǎng)力對(duì)導(dǎo)電流體定常運(yùn)動(dòng)的影響。方程的非線性使磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)的數(shù)學(xué)分析復(fù)雜化,通常要用近似方法或數(shù)值法求解。它們雖然是簡(jiǎn)化情況的解,然而清晰地闡明了基本的流動(dòng)規(guī)律,利用這些規(guī)律至少可以定性地討論更復(fù)雜的磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)。

研究磁流體動(dòng)力學(xué)波,包括小擾動(dòng)波、有限振幅波和激波。了解等離子體中波的傳播規(guī)律,可以探測(cè)等離子體的某些性質(zhì)。此外,激波理論在電磁激波管、天體物理和地球物理上都有重要的應(yīng)用。

磁流體力學(xué)是在非導(dǎo)電流體力學(xué)的基礎(chǔ)上,研究導(dǎo)電流體中流場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用。進(jìn)行這種研究必須對(duì)經(jīng)典流體力學(xué)加以修正,以便得到磁流體力學(xué)基本方程組。

磁流體力學(xué)基本方程組具有非線性且包含方程個(gè)數(shù)又多,所以求解困難。但在實(shí)際問(wèn)題中往往不需要求最一般形式的方程組的解,而只需求某一特殊問(wèn)題的方程組的解。一般應(yīng)用量綱分析和相似律求得表征一個(gè)物理問(wèn)題的相似準(zhǔn)數(shù),并簡(jiǎn)化方程,即可得到有實(shí)用價(jià)值的解。

磁流體力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)有雷諾數(shù)、磁雷諾數(shù)、哈特曼數(shù)、馬赫數(shù)、磁馬赫數(shù)、磁力數(shù)、相互作用數(shù)等。求解簡(jiǎn)化后的方程組不外是分析法和數(shù)值法。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)方法可以求解較復(fù)雜的問(wèn)題。

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體,而且有磁場(chǎng),故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽(yáng)物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前,關(guān)于太陽(yáng)的研究課題有:太陽(yáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)和起源,磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有:星際空間無(wú)作用力場(chǎng)存在的可能性,太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波,新星、超新星的爆發(fā),地球磁場(chǎng)的起源,等等。

磁流體力學(xué)在受控核反應(yīng)方面的應(yīng)用,有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。對(duì)氘、氚混合氣來(lái)說(shuō),要求溫度達(dá)到5000萬(wàn)到1億度,并對(duì)粒子密度和約束時(shí)間有較高的要求。而使用環(huán)形磁約束裝置在受控?zé)岷朔磻?yīng)的研究中顯出較好的適用性和優(yōu)越性。

磁流體力學(xué)除了與開發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外,還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,省去轉(zhuǎn)動(dòng)部件,這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15~20%,甚至更高,既可節(jié)省能源,又能減輕污染。

飛行器再入大氣層時(shí),激波、空氣對(duì)飛行器的摩擦,使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體,因此利用磁場(chǎng)可以控制對(duì)飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場(chǎng)裝置過(guò)重,這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。

此外,電磁流量計(jì)、電磁制動(dòng)、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學(xué)在工業(yè)應(yīng)用上所取得的成就。

磁流體發(fā)電

磁流體發(fā)電是一種新型的高效發(fā)電方式,其定義為當(dāng)帶有磁流體的等離子體橫切穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí),按電磁感應(yīng)定律,由磁力線切割產(chǎn)生電;在磁流體流經(jīng)的通道上安裝電極和外部負(fù)荷連接時(shí),則可發(fā)電。

為了使磁流體具有足夠的電導(dǎo)率,需在高溫和高速下,加上鉀、銫等堿金屬和加入微量堿金屬的惰性氣體(如氦、氬等)作為工質(zhì),以利用非平衡電離原理來(lái)提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過(guò)磁場(chǎng)的方式叫開環(huán)磁流體發(fā)電,后者通過(guò)換熱器將工質(zhì)加熱后再穿過(guò)磁場(chǎng)的叫閉環(huán)磁流體發(fā)電。

磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右,但由于其排煙溫度很高,從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續(xù)燃燒成蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,總的熱效率可達(dá)50%~60%,是目前正在開發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的。同樣,它可有效地脫硫,有效地控制NOx的產(chǎn)生,也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

磁流體密封

磁流體密封裝置是由不導(dǎo)磁座、軸承、磁極、永久磁鐵、導(dǎo)磁軸、磁流體組成,在磁場(chǎng)的作用下,使磁流體充滿環(huán)形空間,建立起一系列"O型密封圈",從而達(dá)到密封的效果。