Thủy động lực điện từ (EMHD)

Michael Faraday còn trẻ và hạnh phúc. Chỉ gần đây thôi, anh ấy mới rời bỏ những chiếc máy đóng sách và đắm mình trong những thí nghiệm vật lý và anh ấy thấy chúng thật kỳ lạ làm sao.

Năm mới 1821 đã đến. Gia đình đang chờ khách. Một người vợ yêu thương đã nướng một chiếc bánh táo nhân dịp này. Món "chiêu đãi" chính mà Faraday đã chuẩn bị cho mình - một cốc thủy ngân. Chất lỏng bạc di chuyển một cách hài hước khi một nam châm được di chuyển gần nó. Nam châm đứng yên không có tác dụng. Khách đã hài lòng. Có vẻ như khi nó đến gần nam châm, một thứ gì đó "vừa" xuất hiện bên trong thủy ngân. Cái gì?

Rất lâu sau đó, vào năm 1838, Faraday đã mô tả một chuyển động tương tự của một chất lỏng, nhưng không phải thủy ngân, mà là dầu được tinh chế kỹ, trong đó phần cuối của một sợi dây từ một cột điện được nhúng vào. Các dòng dầu xoáy xoáy có thể nhìn thấy rõ ràng.

Cuối cùng, sau 5 năm nữa, nhà nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm Cầu Waterloo nổi tiếng bằng cách thả hai sợi dây xuống sông Thames được kết nối với một thiết bị nhạy cảm. Ông muốn phát hiện sức căng do chuyển động của nước trong từ trường của Trái đất.Thí nghiệm không thành công vì tác dụng mong đợi đã bị tắt tiếng bởi những thứ khác hoàn toàn có bản chất hóa học.

Nhưng sau đó từ những thí nghiệm này đã nảy sinh một trong những lĩnh vực vật lý thú vị nhất— thủy động lực học điện từ (EMHD) - khoa học về sự tương tác của trường điện từ với môi trường lỏng-lỏng… Nó kết hợp điện động lực học cổ điển (hầu hết tất cả đều được tạo ra bởi J. Maxwell, một tín đồ lỗi lạc của Faraday) và thủy động lực học của L. Euler và D. Stokes.

Sự phát triển của EMHD ban đầu rất chậm và trong một thế kỷ sau Faraday, không có sự phát triển đặc biệt quan trọng nào trong lĩnh vực này. Mãi đến giữa thế kỷ này, các nghiên cứu lý thuyết về cơ bản mới hoàn thành. Và ngay sau đó, việc sử dụng thực tế hiệu ứng do Faraday phát hiện đã bắt đầu.

Hóa ra khi một chất lỏng dẫn điện cao (muối nóng chảy, kim loại lỏng) di chuyển trong trường điện từ, thì một dòng điện xuất hiện trong nó (thủy động lực học - MHD). Các chất lỏng dẫn điện kém (dầu, khí hóa lỏng) cũng «phản ứng» với hiệu ứng điện từ bằng sự xuất hiện các điện tích (electrohydrodynamics - EHD).

Rõ ràng, một tương tác như vậy cũng có thể được sử dụng để kiểm soát tốc độ dòng chảy của môi trường chất lỏng bằng cách thay đổi các tham số trường. Nhưng các chất lỏng được đề cập là đối tượng chính của các công nghệ quan trọng nhất: luyện kim loại đen và kim loại màu, đúc, lọc dầu.

Kết quả thực tiễn của việc sử dụng EMHD trong quy trình công nghệ

EMHD liên quan đến các vấn đề kỹ thuật như ngăn chặn plasma, làm mát kim loại lỏng trong lò phản ứng hạt nhân và đúc điện từ.

Thủy ngân được biết là độc hại. Nhưng cho đến gần đây, trong quá trình sản xuất, nó đã được đổ và chuyển bằng tay.Máy bơm MHD hiện sử dụng từ trường di chuyển để bơm thủy ngân qua một đường ống hoàn toàn kín. Sản xuất an toàn và độ tinh khiết kim loại cao nhất được đảm bảo, chi phí lao động và năng lượng giảm.

Các cài đặt sử dụng EMDG đã được phát triển và đang được sử dụng, giúp loại bỏ hoàn toàn lao động thủ công trong việc vận chuyển kim loại nóng chảy — các máy bơm và lắp đặt từ động lực học cung cấp khả năng tự động hóa quá trình rót nhôm và hợp kim màu. Công nghệ mới thậm chí còn thay đổi diện mạo của vật đúc, khiến chúng sáng và sạch.

Các nhà máy EMDG cũng được sử dụng để đúc gang và thép. Quá trình này được biết là đặc biệt khó cơ giới hóa.

Máy tạo hạt kim loại lỏng đã được đưa vào sản xuất, tạo ra những quả cầu có hình dạng lý tưởng và kích thước bằng nhau. Những «quả bóng» này được sử dụng rộng rãi trong luyện kim màu.

Máy bơm EHD đã được phát triển và sử dụng để làm mát các ống tia X mạnh mẽ, trong đó dầu làm mát chảy mạnh trong một điện trường được tạo ra bởi điện áp cao ở cực âm của ống. Công nghệ EHD đã được phát triển để chế biến dầu thực vật, tia EHD cũng được sử dụng trong các thiết bị tự động hóa và robot.

Cảm biến thủy động lực học được sử dụng để đo chính xác vận tốc góc trong các hệ thống định vị quán tính, ví dụ như trong kỹ thuật vũ trụ. Độ chính xác được cải thiện khi kích thước cảm biến tăng lên. Cảm biến có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt.

Máy phát MHD hoặc máy phát điện chuyển đổi nhiệt hoặc động năng trực tiếp thành điện năng. Máy phát điện MHD khác với máy phát điện truyền thống ở chỗ chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần chuyển động các bộ phận.Khí thải của máy phát MHD plasma là ngọn lửa có khả năng đốt nóng nồi hơi của nhà máy điện hơi nước.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện từ thủy động lực học gần giống với nguyên lý hoạt động thông thường của máy phát điện cơ. Giống như với EMF thông thường trong máy phát MHD, nó được tạo ra trong một dây dẫn đi qua các đường sức từ ở một tốc độ nhất định. Tuy nhiên, nếu các dây chuyển động của máy phát thông thường được làm bằng kim loại rắn thì trong máy phát MHD, chúng đại diện cho một dòng chất lỏng hoặc khí dẫn điện (plasma).

Mô hình đơn vị thủy động lực học U-25, Bảo tàng Bách khoa Nhà nước (Moscow)

Năm 1986, nhà máy điện công nghiệp đầu tiên có máy phát MHD được xây dựng ở Liên Xô, nhưng vào năm 1989, dự án đã bị hủy bỏ trước khi ra mắt MHD, và nhà máy điện này sau đó đã gia nhập Ryazan GRES với tư cách là đơn vị năng lượng thứ 7 của thiết kế thông thường.

Danh sách các ứng dụng thực tế của thủy động lực học điện từ trong các quy trình công nghệ có thể được nhân lên. Tất nhiên, những máy móc và cài đặt hạng nhất này đã phát sinh do mức độ phát triển cao của lý thuyết EMHD.

Dòng chảy của chất lỏng điện môi - điện thủy động lực học - là một trong những chủ đề phổ biến của nhiều tạp chí khoa học quốc tế.