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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

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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