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| − | + | 中文名；磁流体力学 | |
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| − | + | '''磁流体力学'''是结合经典流体力学和电动力学的方法研究导电流体和磁场相互[[作用]]的学科，包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。其基本思想是在运动的导电流体中，磁场能够感应出电流。磁流体力学将等离子体作为连续介质处理，要求其特征尺度远远大于粒子的平均自由程、特征时间远远大于粒子的平均碰撞时间，不需考虑单个粒子的运动。由于磁流体力学只关心流体元的平均效果，因此是一种近似描述的方法，能够解释等离子体中的大多数现象，广泛应用于等离子体物理学的研究。更精确的描述方法是考虑粒子速度分布函数的动理学[[理论]]。磁流体力学的基本方程是流体力学中的纳维-斯托克斯方程和电动力学中的麦克斯韦方程组。磁流体力学是由瑞典[[物理]]学家汉尼斯·阿尔文创立的，阿尔文因此获得1970年的诺贝尔物理<ref>[https://www.kexuedabaike.com/%E7%A3%81%E6%B5%81%E4%BD%93%E5%8A%9B%E5%AD%A6 磁流体力学- 科学大百科-探索科学与自然的奥秘] ， 科学大百科， 2022年11月9日 </ref> | |
| − | 磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法，研究导电流体和磁场相互作用的学科，它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。 | + | |
| + | ==简介== | ||
| + | 导电流体在电磁场里运动时，流体中就会产生电流。此电流与磁场相互作用，产生洛伦兹力，从而改变流体的运动，同时此电流又导致电磁场的改变。对这类问题进行理论探讨，必须既考虑其力学效应，又考虑其电磁效应。磁流体力学包括磁流体静力学和磁流体动力学。磁流体静力学研究导电流体在电磁力作用下的静平衡[[问题]]，如太阳黑子理论、受控热核聚变的磁约束机制等。磁流体动力学研究导电流体与电磁场相互作用时的运动规律，如各种磁流体动力学流动和磁流体动力学波等。但磁流体力学通常即指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。 | ||
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| + | 等离子体和液态金属都是导电流体。等离子体包括99%以上的宇宙物质，等离子体是电中性电离气体，含有足够多的自由带电粒子，所以它的动力学行为受电磁力支配。后者包括核动力装置中的携热介质(如钠、钾、钠钾合金)、化学工业中的置换剂(如钠、钾、汞)、冶金铸造工业中的熔融金属等。地球表面一般不存在自然等离子体，但可因核辐射、气体放电、[[燃烧]]、电磁激波、激光等方法产生人工等离子体。因此，磁流体力学不仅与等离子体物理学有联系，还在天体物理研究(如磁场对日冕、黑子、耀斑的影响)、受控热核聚变和工业新技术(如电磁泵、电弧加热器、磁流体发电、电磁输送、电磁推进等)中得到发展和应用。 | ||
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| + | ==基础== | ||
| + | 磁流体力学以流体力学和电动力学为基础﹐把流场方程和电磁场方程联立起来﹐引进了许多新的特徵过程﹐因而内容十分丰富。宇宙磁流体力学更有其特色。首先﹐它所研究的对象的特徵长度一般来说是非常大的﹐因而电感的作用远远大于电阻的作用。其次﹐其有效时间非常久﹐所以由电磁原因引起的某些作用力纵然不大﹐却能产生重大[[效应]]。磁流体力学大体上可以和流体力学平行地进行研究﹐但因磁场的存在也具有自己的特点﹕在磁流体静力学中的平衡方程﹐和流体静力学相比﹐增加了磁应力部分﹐它研究磁场的"运动"﹐即在介质流动下磁场的演变。与正压流体中的涡旋相似﹐磁场的变化也是由对流和扩散两种作用引起的。如果流体是理想导体﹐磁力线则冻结在流体上﹐即在同一[[磁力线]]上的质点恒在同一磁力线上﹐如果电导率是有限的﹐则磁场还要扩散。两种作用的强弱取决于磁雷诺数4πUL/c(c为光速﹐为电导率﹐U和L分别为问题的特徵速度和特徵长度)的大小。研究流动如何产生和维持天体中磁流发电机制(见太阳平均磁流发电机机制)﹐目前大多是以运动学为基础的。 | ||
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| + | == 分支== | ||
| + | 磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法，研究导电流体和磁场[[ 相互]] 作用的学科，它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。 | ||
磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用于静平衡的问题;磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动规律。磁流体力学通常指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。 | 磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用于静平衡的问题;磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动规律。磁流体力学通常指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。 | ||
| − | 导电流体有等离子体和液态金属等。等离子体是电中性电离气体，含有足够多的自由带电粒子，所以它的动力学行为受电磁力支配。宇宙中的物质几乎全都是等离子体，但对地球来说，除大气上层的电离层和辐射带是等离子体外，地球表面附近(除闪电和极光外)一般不存在自然等离子体，但可通过气体放电、燃烧、电磁激波管、相对论电子束和激光等方法产生人工等离子体。 | + | 导电流体有等离子体和液态金属等。等离子体是电中性电离气体，含有足够多的自由带电粒子，所以它的动力学行为受电磁力[[ 支配]] 。宇宙中的物质几乎全都是等离子体，但对地球来说，除大气上层的电离层和辐射带是等离子体外，地球表面附近(除闪电和极光外)一般不存在自然等离子体，但可通过气体放电、燃烧、电磁激波管、相对论电子束和激光等方法产生人工等离子体 。 |
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| + | 能应用磁流体力学处理的等离子体温度范围颇宽，从磁流体发电的几千度到受控热核反应的几亿度量级(还没有包括固体等离子体)。因此，磁流体[[力学]]同物理学的许多分支以及核能、化学、冶金、航天等技术科学都有联系。 | ||
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| + | ==简史== | ||
| + | 1832年M.法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。1937年J. F.哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量[[实验]]，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法 。 | ||
| − | + | 1940~1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的"引导中心"理论、磁冻结定理、 磁流体 动 力学 波(即阿尔文波)和太阳黑子 理 论，1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学 的 发展。1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存 等离子体 的所谓磁约束问题 ， 即 磁流体 静力学问题。 受控热核反应 中 的 磁[[约束]]，就是利用这个原理来约束温度高达一 亿度量级 的 等离子体。 | |
| − | + | 然而，磁约束不易稳定，所以研究 磁流体力学[[稳定]]性成为极重要的 问题 。1951年 ， 伦德奎斯特给 出 一个稳定性判据 ， 这个课题 的 研究至今仍很[[活跃]]。此外，1950年，N. 赫罗夫森和范德胡斯 特 论证 了 有三种扰 动 波(即 阿尔文波、快磁声波和慢磁声波) 存在 。 | |
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| + | <center>物 理 实验: 磁流体力学 效 应</center> | ||
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| + | == 参考资料 == | ||
| − | + | [[Category: 330 物理學總論]] | |
於 2023年6月7日 (三) 06:41 的最新修訂
| 磁流體力學 |
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中文名；磁流體力學 外文名；magneto-fluid mechanics 提出時間；1832年 提出者；法拉第 |
磁流體力學是結合經典流體力學和電動力學的方法研究導電流體和磁場相互作用的學科，包括磁流體靜力學和磁流體動力學兩個分支。其基本思想是在運動的導電流體中，磁場能夠感應出電流。磁流體力學將等離子體作為連續介質處理，要求其特徵尺度遠遠大於粒子的平均自由程、特徵時間遠遠大於粒子的平均碰撞時間，不需考慮單個粒子的運動。由於磁流體力學只關心流體元的平均效果，因此是一種近似描述的方法，能夠解釋等離子體中的大多數現象，廣泛應用於等離子體物理學的研究。更精確的描述方法是考慮粒子速度分布函數的動理學理論。磁流體力學的基本方程是流體力學中的納維-斯托克斯方程和電動力學中的麥克斯韋方程組。磁流體力學是由瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文創立的，阿爾文因此獲得1970年的諾貝爾物理[1]
簡介
導電流體在電磁場裡運動時，流體中就會產生電流。此電流與磁場相互作用，產生洛倫茲力，從而改變流體的運動，同時此電流又導致電磁場的改變。對這類問題進行理論探討，必須既考慮其力學效應，又考慮其電磁效應。磁流體力學包括磁流體靜力學和磁流體動力學。磁流體靜力學研究導電流體在電磁力作用下的靜平衡問題，如太陽黑子理論、受控熱核聚變的磁約束機制等。磁流體動力學研究導電流體與電磁場相互作用時的運動規律，如各種磁流體動力學流動和磁流體動力學波等。但磁流體力學通常即指磁流體動力學，而磁流體靜力學被看作磁流體動力學的特殊情形。
等離子體和液態金屬都是導電流體。等離子體包括99%以上的宇宙物質，等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動力學行為受電磁力支配。後者包括核動力裝置中的攜熱介質(如鈉、鉀、鈉鉀合金)、化學工業中的置換劑(如鈉、鉀、汞)、冶金鑄造工業中的熔融金屬等。地球表面一般不存在自然等離子體，但可因核輻射、氣體放電、燃燒、電磁激波、激光等方法產生人工等離子體。因此，磁流體力學不僅與等離子體物理學有聯繫，還在天體物理研究(如磁場對日冕、黑子、耀斑的影響)、受控熱核聚變和工業新技術(如電磁泵、電弧加熱器、磁流體發電、電磁輸送、電磁推進等)中得到發展和應用。
基礎
磁流體力學以流體力學和電動力學為基礎﹐把流場方程和電磁場方程聯立起來﹐引進了許多新的特徵過程﹐因而內容十分豐富。宇宙磁流體力學更有其特色。首先﹐它所研究的對象的特徵長度一般來說是非常大的﹐因而電感的作用遠遠大於電阻的作用。其次﹐其有效時間非常久﹐所以由電磁原因引起的某些作用力縱然不大﹐卻能產生重大效應。磁流體力學大體上可以和流體力學平行地進行研究﹐但因磁場的存在也具有自己的特點﹕在磁流體靜力學中的平衡方程﹐和流體靜力學相比﹐增加了磁應力部分﹐它研究磁場的"運動"﹐即在介質流動下磁場的演變。與正壓流體中的渦旋相似﹐磁場的變化也是由對流和擴散兩種作用引起的。如果流體是理想導體﹐磁力線則凍結在流體上﹐即在同一磁力線上的質點恆在同一磁力線上﹐如果電導率是有限的﹐則磁場還要擴散。兩種作用的強弱取決於磁雷諾數4πUL/c(c為光速﹐為電導率﹐U和L分別為問題的特徵速度和特徵長度)的大小。研究流動如何產生和維持天體中磁流發電機制(見太陽平均磁流發電機機制)﹐目前大多是以運動學為基礎的。
分支
磁流體力學是結合經典流體力學和電動力學的方法，研究導電流體和磁場相互作用的學科，它包括磁流體靜力學和磁流體動力學兩個分支。
磁流體靜力學研究導電流體在磁場力作用於靜平衡的問題;磁流體動力學研究導電流體與磁場相互作用的動力學或運動規律。磁流體力學通常指磁流體動力學，而磁流體靜力學被看作磁流體動力學的特殊情形。
導電流體有等離子體和液態金屬等。等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動力學行為受電磁力支配。宇宙中的物質幾乎全都是等離子體，但對地球來說，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，但可通過氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對論電子束和激光等方法產生人工等離子體。
能應用磁流體力學處理的等離子體溫度範圍頗寬，從磁流體發電的幾千度到受控熱核反應的幾億度量級(還沒有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學同物理學的許多分支以及核能、化學、冶金、航天等技術科學都有聯繫。
簡史
1832年M.法拉第首次提出有關磁流體力學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術差，未達到目的。1937年J. F.哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，並成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。
1940~1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的"引導中心"理論、磁凍結定理、磁流體動力學波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束溫度高達一億度量級的等離子體。
然而，磁約束不易穩定，所以研究磁流體力學穩定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩定性判據，這個課題的研究至今仍很活躍。此外，1950年，N. 赫羅夫森和范德胡斯特論證了有三種擾動波(即阿爾文波、快磁聲波和慢磁聲波)存在。
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參考資料
- ↑ 磁流體力學- 科學大百科-探索科學與自然的奧秘 ， 科學大百科， 2022年11月9日