Ηλεκτρομαγνητική Υδροδυναμική (EMHD)
Ο Michael Faraday ήταν νέος και χαρούμενος. Μόλις πρόσφατα άφησε βιβλιοδέτες και βυθίστηκε σε φυσικά πειράματα και πόσο περίεργα τα έβρισκε.
Το νέο έτος 1821 ερχόταν. Η οικογένεια περίμενε επισκέπτες. Μια τρυφερή σύζυγος έψησε μια μηλόπιτα για την περίσταση. Το κύριο "κέρασμα" που ετοίμασε ο Faraday για τον εαυτό του - ένα φλιτζάνι υδράργυρο. Το ασημένιο υγρό κινήθηκε με αστείο τρόπο όταν ένας μαγνήτης μετακινήθηκε κοντά του. Ένας σταθερός μαγνήτης δεν έχει καμία επίδραση. Οι καλεσμένοι έμειναν ικανοποιημένοι. Φαινόταν ότι καθώς πλησίαζε τον μαγνήτη, κάτι «μόλις» εμφανίστηκε μέσα στον υδράργυρο. Τι?
Πολύ αργότερα, το 1838, ο Faraday περιέγραψε μια παρόμοια κίνηση ενός υγρού, αλλά όχι υδραργύρου, αλλά καλά καθαρισμένου λαδιού, στο οποίο ήταν βυθισμένο το άκρο ενός σύρματος από μια βολταϊκή στήλη. Οι στροβιλιζόμενες δίνες των ρευμάτων πετρελαίου ήταν καθαρά ορατές.
Τελικά, μετά από άλλα πέντε χρόνια, ο ερευνητής πραγματοποίησε το περίφημο πείραμα της Γέφυρας του Βατερλώ ρίχνοντας δύο καλώδια στον Τάμεση συνδεδεμένα με μια ευαίσθητη συσκευή. Ήθελε να ανιχνεύσει την ένταση που προκύπτει από την κίνηση του νερού στο μαγνητικό πεδίο της Γης.Το πείραμα ήταν ανεπιτυχές επειδή το αναμενόμενο αποτέλεσμα υποχώρησε από άλλα που ήταν καθαρά χημικής φύσης.
Αλλά αργότερα από αυτά τα πειράματα προέκυψε ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πεδία της φυσικής- ηλεκτρομαγνητική υδροδυναμική (EMHD) — επιστήμη της αλληλεπίδρασης ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με ένα υγρό-υγρό μέσο… Συνδυάζει την κλασική ηλεκτροδυναμική (σχεδόν όλα δημιουργήθηκαν από τον λαμπρό οπαδό του Faraday, J. Maxwell) και την υδροδυναμική των L. Euler και D. Stokes.
Η ανάπτυξη του EMHD ήταν αρχικά αργή και για έναν αιώνα μετά το Faraday δεν υπήρξαν ιδιαίτερα σημαντικές εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα. Μόνο στα μέσα αυτού του αιώνα ολοκληρώθηκαν κυρίως οι θεωρητικές σπουδές. Και σύντομα άρχισε η πρακτική χρήση του αποτελέσματος που ανακάλυψε ο Faraday.
Αποδείχθηκε ότι όταν ένα πολύ αγώγιμο υγρό (λιωμένα άλατα, υγρά μέταλλα) κινείται σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό (μαγνητοϋδροδυναμική - MHD). Τα κακώς αγώγιμα υγρά (πετρέλαιο, υγροποιημένο αέριο) επίσης «αντιδρούν» στο ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο με την εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων (ηλεκτροϋδροδυναμική - EHD).
Προφανώς, μια τέτοια αλληλεπίδραση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του ρυθμού ροής ενός υγρού μέσου αλλάζοντας τις παραμέτρους του πεδίου. Αλλά τα αναφερόμενα υγρά είναι το κύριο αντικείμενο των πιο σημαντικών τεχνολογιών: μεταλλουργία σιδηρούχων και μη σιδηρούχων μετάλλων, χυτήριο, διύλιση πετρελαίου.
Πρακτικά αποτελέσματα χρήσης EMHD σε τεχνολογικές διαδικασίες
Το EMHD σχετίζεται με προβλήματα μηχανικής όπως η συγκράτηση του πλάσματος, η ψύξη υγρών μετάλλων σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση.
Ο υδράργυρος είναι γνωστό ότι είναι τοξικός. Όμως μέχρι πρόσφατα, κατά την παραγωγή του, χύνονταν και μεταφέρονταν με το χέρι.Οι αντλίες MHD χρησιμοποιούν τώρα ένα κινούμενο μαγνητικό πεδίο για την άντληση υδραργύρου μέσω ενός απολύτως σφραγισμένου αγωγού. Η ασφαλής παραγωγή και η υψηλότερη καθαρότητα μετάλλου είναι εγγυημένη, το κόστος εργασίας και ενέργειας μειώνεται.
Έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται εγκαταστάσεις με τη χρήση EMDG, οι οποίες κατάφεραν να εξαλείψουν πλήρως τη χειρωνακτική εργασία στη μεταφορά τετηγμένου μετάλλου — οι μαγνητοδυναμικές αντλίες και εγκαταστάσεις παρέχουν αυτοματοποίηση της έκχυσης αλουμινίου και μη σιδηρούχων κραμάτων. Η νέα τεχνολογία άλλαξε ακόμη και την εμφάνιση των χυτών, καθιστώντας τα φωτεινά και καθαρά.
Οι εγκαταστάσεις EMDG χρησιμοποιούνται επίσης για χυτοσίδηρο και χάλυβα. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστό ότι είναι ιδιαίτερα δύσκολο να μηχανοποιηθεί.
Στην παραγωγή έχουν εισαχθεί κοκκοποιητές υγρών μετάλλων, δίνοντας σφαίρες ιδανικού σχήματος και ίσων διαστάσεων. Αυτές οι «μπάλες» χρησιμοποιούνται ευρέως στη μη σιδηρούχα μεταλλουργία.
Οι αντλίες EHD αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την ψύξη ισχυρών σωλήνων ακτίνων Χ στους οποίους το ψυκτικό λάδι ρέει εντατικά σε ένα ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από μια υψηλή τάση στην κάθοδο του σωλήνα. Η τεχνολογία EHD έχει αναπτυχθεί για την επεξεργασία φυτικών ελαίων.Οι πίδακες EHD χρησιμοποιούνται επίσης σε συσκευές αυτοματισμού και ρομποτικής.
Οι μαγνητοϋδροδυναμικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για ακριβείς μετρήσεις γωνιακών ταχυτήτων σε συστήματα αδρανειακής πλοήγησης, για παράδειγμα στη διαστημική μηχανική. Η ακρίβεια βελτιώνεται όσο αυξάνεται το μέγεθος του αισθητήρα. Ο αισθητήρας μπορεί να επιβιώσει σε δύσκολες συνθήκες.
Μια γεννήτρια MHD ή δυναμό μετατρέπει τη θερμότητα ή την κινητική ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι γεννήτριες MHD διαφέρουν από τις παραδοσιακές ηλεκτρικές γεννήτριες στο ότι μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς κινούμενα μέρη.Τα καυσαέρια μιας γεννήτριας πλάσματος MHD είναι μια φλόγα ικανή να θερμάνει τους λέβητες μιας μονάδας παραγωγής ατμού.
Η αρχή λειτουργίας μιας μαγνητοϋδροδυναμικής γεννήτριας είναι σχεδόν πανομοιότυπη με τη συμβατική αρχή λειτουργίας μιας ηλεκτρομηχανικής γεννήτριας. Ακριβώς όπως με ένα συμβατικό EMF σε μια γεννήτρια MHD, παράγεται σε ένα καλώδιο που διασχίζει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου με μια ορισμένη ταχύτητα. Ωστόσο, εάν τα κινούμενα καλώδια των συμβατικών γεννητριών είναι κατασκευασμένα από στερεό μέταλλο σε μια γεννήτρια MHD, αντιπροσωπεύουν μια ροή αγώγιμου υγρού ή αερίου (πλάσμα).
Μοντέλο της μαγνητοϋδροδυναμικής μονάδας U-25, Κρατικό Πολυτεχνικό Μουσείο (Μόσχα)
Το 1986, κατασκευάστηκε ο πρώτος βιομηχανικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με γεννήτρια MHD στην ΕΣΣΔ, αλλά το 1989 το έργο ακυρώθηκε πριν από την έναρξη του MHD και αυτό το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας εντάχθηκε αργότερα στο Ryazan GRES ως η 7η μονάδα ισχύος συμβατικού σχεδιασμού.
Ο κατάλογος των πρακτικών εφαρμογών της ηλεκτρομαγνητικής υδροδυναμικής σε τεχνολογικές διεργασίες μπορεί να πολλαπλασιαστεί. Φυσικά, αυτά τα πρώτης τάξεως μηχανήματα και εγκαταστάσεις προέκυψαν λόγω του υψηλού επιπέδου ανάπτυξης της θεωρίας EMHD.
Η ροή των διηλεκτρικών ρευστών — ηλεκτροϋδροδυναμική — είναι ένα από τα δημοφιλή θέματα διαφόρων διεθνών επιστημονικών περιοδικών.