МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА


МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА
МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

       
наука о движении электропроводящих жидкостей и газов в присутствии магнитного поля; раздел физики, развившийся на стыке гидродинамики и классической электродинамики. Характерными для М. г. объектами явл. плазма (настолько, что М. г. иногда рассматривают как раздел физики плазмы), жидкие металлы и электролиты.
Первые исследования по М. г. восходят ко временам М. Фарадея, но как самостоят. отрасль знания М. г. стала развиваться в 20 в. в связи с запросами астрофизики и геофизики. Было установлено, что мн. косм. объекты (напр., Солнце, пульсары) обладают сильными магн. полями (неск. тыс. Э и более). Динамич. поведение плазмы, находящейся в подобных полях, радикально изменяется, т. к. плотность энергии магн. поля становится сравнимой с плотностью кинетич. энергии ч-ц плазмы (или превышает её). Этот же критерий справедлив и для слабых косм. магн. полей напряжённостью 10-3—10-5 Э (в межзвёздном пр-ве, поле Земли в верх. атмосфере и за её пределами), если в областях, занимаемых ими, концентрация заряж. ч-ц низка. Т. о., возникла необходимость в создании спец. теории движения косм. плазмы в магн. полях, получившей назв. космической электродинамики, а в случае, когда плазму можно рассматривать как сплошную среду,— космической магнитогидродинамики.
Осн. положения М. г. были сформулированы в 1940-х гг. швед. физиком X. Альфвеном, к-рый в 1970 за создание М. г. был удостоен Нобелевской премии. Им было теоретически предсказано существование специфич. волн. движений проводящей среды в магн. поле, получивших назв. альфвеновских волн. Начав формироваться как наука о поведении косм. плазмы, М. г. вскоре распространила свои методы и на проводящие среды в земных условиях. В нач. 1950-х гг. развитию М. г., как и физики плазмы в целом, дали мощный импульс нац. программы (СССР, США, Великобритания) исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза. Появились и быстро совершенствуются многочисл. техн. применения М. г. (магнитогидродинамические генераторы, МГД-насосы, плазменные ускорители, плазменные двигатели и др.).
В основе М. г. лежат две группы законов физики: ур-ния гидродинамики и ур-ния эл.-магн. поля (Максвелла уравнения). Первые описывают течения среды (жидкости или газа), но т. к. среда проводящая, то эти течения связаны с распределёнными по её объёму электрич. токами. Присутствие магн. поля приводит к появлению в ур-ниях дополнит. члена, учитывающего действие на эти токи распределённой по объёму электродинамич. силы (см. АМПЕРА ЗАКОН, ЛОРЕНЦА СИЛА). Сами же токи в среде и вызываемые ими искажения магн. поля определяются второй группой ур-ний. Т. о., в М. г. ур-ния гидродинамики и электродинамики оказываются взаимосвязанными. Следует отметить, что в М. г. в ур-ниях Максвелла почти всегда можно пренебречь токами смещения (нерелятивистская М. г.).
В общем случае ур-ния М. г. нелинейны и весьма сложны для решения, но в практич. задачах часто можно ограничиться теми или иными предельными режимами, при оценке к-рых важным параметром служит безразмерная величина, наз. м а г н и т н ы м Р е й н о л ь д с а ч и с л о м:
Rm=LV/vm=4psLV/c2 (1)
(L — характерный для среды размер, V — характерная скорость течения, vm=c2/4ps — т. н. магнитная вязкость, описывающая диссипацию магн. поля, s — электрич. проводимость среды; здесь и ниже используется СГС система единиц).
При Rm<-1 (что обычно для лаб. условий и технич. применений) течение проводящей среды слабо искажает магн. поле, к-рое поэтому можно считать заданным внеш. источниками. Такое течение может быть использовано, напр., для генерации электрич. тока (см. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР). Напротив, если ток в среде поддерживается внеш. эдс, то наличие внеш. магн. поля вызывает появление упомянутой выше объёмной электродинамич. силы, к-рая создаёт в среде перепад давления и приводит её в движение. Этот эффект используется в МГД-насосах (напр., для перекачивания расплавленного металла) и плазменных ускорителях. Объёмная электродинамич. сила даёт также возможность создавать регулируемую выталкивающую (архимедову) силу, к-рая действует на помещённые в проводящую жидкость тела. На этом важном эффекте основано действие МГД-сепараторов. Наиболее интересные и принципиально новые МГД-эффекты возникают при Rm-> 1, т. е. в средах с высокой проводимостью и (или) большими размерами. Эти условия, как правило, выполняются в средах, изучаемых в гео- и астрофизич. приложениях М. г., а также в горячей (напр., термоядерной) плазме. Течения в таких средах чрезвычайно сильно влияют на магн. поле в них. Одним на важнейших эффектов в этих условиях явл. в м о р о ж е н н о с т ь магн. поля. В хорошо (строго говоря — идеально) проводящей среде эл.-магн. индукция вызывает появление токов, препятствующих какому бы то ни было изменению магнитного потока через всякий материальный контур. В движущейся МГД-среде с Rm-> 1 это справедливо для любого контура, образуемого её ч-цами. В результате магн. поток через любой движущийся и меняющий свои размеры элемент среды остаётся неизменным (с тем большей степенью точности, чем больше Rm), и в этом смысле говорят о вмороженности магн. поля. Это св-во во многих случаях позволяет, не прибегая к громоздким расчётам, с помощью простых представлений получить качеств, картину течений среды и деформации магн. поля, следует только рассматривать магн. силовые линии как упругие нити, на к-рые нанизаны ч-цы среды.
Более строгое рассмотрение этого «упругого» действия магн. поля на проводящую среду показывает, что оно сводится к изотропному магнитному давлению рм=В2/8p, к-рое добавляется к обычному газодинамич. давлению среды p, и магн. натяжению Т=B2/4p, направленному вдоль силовых линий поля (магн. проницаемость всех представляющих интерес для М. г. сред с большой точностью близка к единице, и можно с равным правом пользоваться как магн. индукцией B, так и напряжённостью Н).
Наличие дополнит. «упругих» натяжений в МГД-средах приводит к альфвеновским волнам. Они обусловлены магн. натяжением Т и распространяются вдоль силовых линий со скоростью
vA=B/?4pr, (2)
где r — плотность среды.
Эти волны описываются точным решением нелинейных ур-ний М. г. для несжимаемой среды; ввиду сложности ур-ний таких точных решений для больших Rm получено очень немного. Ещё одно из них описывает течение несжимаемой (r=const) жидкости с той же альфвеновской скоростью (2) вдоль произвольного магн. поля. Достаточно подробно изучены и т. н. МГД-разрывы, к-рые включают контактные, тангенциальные и вращат. разрывы, а также быструю и медленную ударные волны. В контактном разрыве общее магн. поле пересекает границу раздела двух разл. сред, препятствуя их относит. движению (в приграничном слое среды неподвижны одна относительно другой). В т а н г е н ц и а л ь н о м р а з р ы в е поле не пересекает границу раздела двух сред (его составляющая, нормальная к границе, равна нулю), и эти среды могут находиться в относит. движении. Частным случаем тангенциального разрыва явл. нейтральный токовый слой, разделяющий равные по величине и противоположно направленные магн. поля. В М. г. доказывается, что при нек-рых условиях магн. поле стабилизирует тангенциальный разрыв скорости, к-рый абсолютно неустойчив в обычной гидродинамике. Специфическим для М. г. (не имеющим аналога в гидродинамике непроводящих сред) явл. вращательный разрыв, в к-ром вектор магн. индукции, не изменяясь по абс. величине, поворачивается вокруг нормали к поверхности разрыва. Магн. натяжения в этом случае приводят среду в движение таким образом, что вращат. разрыв распространяется по направлению нормали к поверхности с альфвеновской скоростью (2), если под В понимать норм. составляющую индукции. Быстрые и медленные ударные волны в М. г. отличаются от обычных ударных волн тем, что ч-цы среды после прохождения фронта волны получают касательный к фронту импульс за счёт магн. натяжений. В быстрой ударной волне магн. поло за её фронтом усиливается, скачок магн. давления на фронте действует в ту же сторону, что и скачок газодинамич. давления, и поэтому скорость такой волны больше скорости звука в среде. В медленной ударной волне, напротив, поле после её прохождения ослабевает, перепады газодинамич. и магн. давлений на фронте волны направлены противоположно; скорость медленной волны меньше скорости звука. Число теоретически мыслимых ударных волн в М. г. оказывается значительно больше, чем реально существующих. Отбор реально осуществляющихся решений производится с помощью т. н. у с л о в и я э в о л ю ц и о н н о с т и, следующего из рассмотрения устойчивости ударных волн при их вз-ствии с колебаниями малой амплитуды.
Известные точные решения, однако, далеко не исчерпывают содержания теор. магнитогидродинамических сред с Rm->1. Широкий класс задач удаётся исследовать приближённо. При таком исследовании возможны два осн. подхода: приближение слабого поля, когда магнитные давление и натяжение малы по сравнению с остальными динамич. факторами (газодинамич. давлением и инерциальными силами), и приближение сильного поля, когда
МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА> <div> здесь   v — скорость      среды,   р — ее газодинамич.   давление. </div> <div> В приближении слабого поля течение среды определяется обычными газодинамич. факторами (влиянием магн. натяжений пренебрегают). При этом требуется рассчитать изменения поля в среде, движущейся по заданному закону. К этому классу задач относится очень важная проблема гидромагнитного динамо (см. <a href=ДИНАМО-ЭФФЕКТ) и проблема МГД-т у р б у л е н т н о с т и. Первая состоит в отыскании ламинарных течений проводящих сред, к-рые могут создавать, усиливать и поддерживать магн. поле. Гидромагн. динамо явл. основой теории земного магнетизма и магнетизма Солнца и звёзд. Существуют простые кинематич. модели, показывающие, что гидромагн. динамо в принципе может быть осуществлено при спец. выборе распределений скоростей среды. Однако строгого доказательства реализации таких распределений пока нет.
Основным в проблеме МГД-турбулентности явл. выяснение поведения слабого исходного («затравочного») магн. поля в турбулентной проводящей среде (см. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ПЛАЗМЫ). Имеется доказательство роста среднего квадрата напряжённости случайно возникшего слабого нач. поля, т. е. возрастания магн. энергии в нач. стадии процесса. Однако остаётся открытой проблема установившегося турбулентного состояния, связанная с происхождением магн. полей в косм. пр-ве, в частности в нашей и др. галактиках.
Приближение с и л ь н о г о п о л я, в к-ром определяющими явл. магн. натяжения, применяют при изучении разреженных атмосфер косм. магн. тел, напр. Солнца и Земли. Есть основания полагать, что именно это приближение окажется полезным для исследования процессов в удалённых астрофизич. объектах — сверхновых звёздах, пульсарах, квазарах и пр. В условиях, отвечающих (3), изменения магн. поля вблизи его источников (появление активных областей и пятен на Солнце, смещение магнитопаузы в магн. поле Земли под действием солн. ветра и т. д.) переносятся с альфвеновской скоростью (2) вдоль поля, вызывая соответствующие перемещения плазмы. В результате действия магн. сил возникают такие характерные образования, как выбросы и протуберанцы, шлемовидные структуры и стримеры на Солнце, магн. хвост Земли.
Особенно интересные явления имеют место в окрестностях замкнутых магн. силовых линий сильного поля, в частности в окрестности линий, на к-рых поле обращается в нуль. В таких областях образуются тонкие токовые слои, разделяющие магн. поля противоположного направления (т. н. н е й т р а л ь н ы е с л о и, или в общем случае п и н ч е в ы е т о к о в ы е с л о и). В этих слоях происходит процесс т. н. п е р е с о е д и н е н и я магн. силовых линий и «аннигиляции» магн. энергии, т. е. её высвобождение и превращение в др. формы. В частности, в них возникают сильные электрич. поля, ускоряющие заряж. ч-цы. Аннигиляция магн. поля в нейтральных токовых слоях ответственна за появление хромосферных вспышек на Солнце и суббурь в земной магнитосфере. Вероятно, с ней связаны и мн. др. резко нестационарные процессы во Вселенной, сопровождающиеся генерацией ускоренных заряж. ч-ц и жёстких излучений. С точки зрения М. г. пинчевые токовые слои представляют собой разрывы непрерывности магн. поля (подобно ударным волнам и тангенциальным разрывам). Однако процессы в токовых слоях, и прежде всего неустойчивости, приводящие к появлению сильных ускоряющих электрич. полей, выходят за рамки М. г. и относятся к тонким и ещё не вполне разработанным вопросам физики плазмы (см. ПЛАЗМА).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.


.

Смотреть что такое "МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА" в других словарях:

  • МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — изучает движение электропроводящих сред (жидких металлов, электролитов, плазмы) в магнитном поле. Теоретическая основа магнитной гидродинамики уравнения гидродинамики с учетом электрических токов и магнитных полей в среде и Максвелла уравнений. В …   Большой Энциклопедический словарь

  • МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — наука о движении электропроводящих газов и жидкостей во взаимодействии с магн. полем. При движении электропроводящей среды (газа, жидкости), находящейся в магн. поле, в ней индуцируются электрич. поля и токи, на к рые действует магн. поле и к рые …   Физическая энциклопедия

  • магнитная гидродинамика — МГД — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы МГД EN hydromagneticsmagnetohydrodynamics …   Справочник технического переводчика

  • Магнитная гидродинамика —     Механика сплошных сред …   Википедия

  • Магнитная гидродинамика — (МГД)         наука о движении электропроводящих жидкостей и газов в присутствии магнитного поля (См. Магнитное поле); раздел физики, развившийся «на стыке» гидродинамики (См. Гидродинамика) и классической электродинамики (См. Электродинамика).… …   Большая советская энциклопедия

  • магнитная гидродинамика — изучает движение электропроводящих сред (жидких металлов, электролитов, плазмы) в магнитном поле. Теоретическая основа магнитной гидродинамики  уравнения гидродинамики с учётом электрических токов и магнитных полей в среде и Максвелла уравнений.… …   Энциклопедический словарь

  • МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — (сокращенно МГД), раздел науки, занимающийся взаимодействием электропроводящих потоков с электрическим и магнитным полями. Когда в поперечном магнитном поле движется текучая среда, проводящая электричество, в ней наводятся токи. Эти токи вызывают …   Энциклопедия Кольера

  • магнитная гидродинамика — magnetinė hidrodinamika statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. magnetical hydrodynamics; magnetofluidodynamics; magnetohydrodynamics vok. Magnetohydrodynamik, f rus. магнитная гидродинамика, f; магнитогидродинамика, f pranc.… …   Automatikos terminų žodynas

  • магнитная гидродинамика — magnetinė hidrodinamika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. magnetical hydrodynamics; magnetofluidodynamics; magnetohydrodynamics vok. Hydromagnetik, f; Magnetohydrodynamik, f rus. магнитная гидродинамика, f; магнитогидродинамика, f pranc …   Fizikos terminų žodynas

  • МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — изучает движение электропроводящих сред (жидких металлов, электролитов, плазмы) в магн. поле. Теоретич. основа М. г. ур ния гидродинамики с учётом электрич. токов и магн. полей в среде и Максвелла уравнений. В средах с большой проводимостью… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

Другие книги по запросу «МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.