何為強磁流?

【專家解說】：磁流體力學(xué) 磁流體力學(xué) magnetohydrodynamics 結(jié)合流體力學(xué)和電動力學(xué)的方法研究導(dǎo)電流體和電磁場相互作用的學(xué)科。 導(dǎo)電流體在電磁場里運動時，流體中就會產(chǎn)生電流。此電流與磁場相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，從而改變流體的運動，同時此電流又導(dǎo)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(xué)效應(yīng)，又考慮其電磁效應(yīng)。磁流體力學(xué)包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動力學(xué)。磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)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(xué)研究導(dǎo)電流體與電磁場相互作用時的運動規(guī)律，如各種磁流體動力學(xué)流動和磁流體動力學(xué)波等。等離子體和液態(tài)金屬都是導(dǎo)電流體。前者包括99％以上的宇宙物質(zhì)，后者包括核動力裝置中的攜熱介質(zhì)（如鈉、鉀、鈉鉀合金）、化學(xué)工業(yè)中的置換劑（如鈉、鉀、汞）、冶金鑄造工業(yè)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(chǎn)生人工等離子體。因此，磁流體力學(xué)不僅與等離子體物理學(xué)有聯(lián)系，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(yè)新技術(shù)（如電磁泵、電弧加熱器、磁流體發(fā)電、電磁輸送、電磁推進等）中得到發(fā)展和應(yīng)用。 磁流體力學(xué)是結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動力學(xué)的方法，研究導(dǎo)電流體和磁場相互作用的學(xué)科，它包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動力學(xué)兩個分支。 磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)電流體在磁場力作用于靜平衡的問題；磁流體動力學(xué)研究導(dǎo)電流體與磁場相互作用的動力學(xué)或運動規(guī)律。磁流體力學(xué)通常指磁流體動力學(xué)，而磁流體靜力學(xué)被看作磁流體動力學(xué)的特殊情形。 導(dǎo)電流體有等離子體和液態(tài)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(xué)行為受電磁力支配。宇宙中的物質(zhì)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(chǎn)生人工等離子體。 能應(yīng)用磁流體力學(xué)處理的等離子體溫度范圍頗寬，從磁流體發(fā)電的幾千度到受控熱核反應(yīng)的幾億度量級(還沒有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學(xué)同物理學(xué)的許多分支以及核能、化學(xué)、冶金、航天等技術(shù)科學(xué)都有聯(lián)系。 磁流體力學(xué)發(fā)展簡史 1832年法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問題。他根據(jù)海水切割地球磁場產(chǎn)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(shù)差，未達到目的。1937年哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，并成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學(xué)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(dǎo)中心”理論、磁凍結(jié)定理、磁流體動力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學(xué)》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學(xué)的發(fā)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(xué)問題。受控熱核反應(yīng)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(wěn)定，所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩(wěn)定性判據(jù)，這個課題的研究至今仍很活躍。 磁流體力學(xué)的內(nèi)容 研究磁流體問題，首先是建立磁流體力學(xué)基本方程組，其次是用這個方程組來解決各種問題。磁流體力學(xué)主要用來研究解決的有： 理想導(dǎo)電流體運動對地球磁場影響的問題；或流體靜止時，流體電阻對磁場影響的問題，其中包括磁凍結(jié)和磁擴散。 通過磁場力來考察磁場對靜止導(dǎo)電流體或理想導(dǎo)電流體的約束機制。這個問題是磁流體靜力學(xué)的研究范疇，對受控熱核反應(yīng)十分重要。磁流體靜力學(xué)在天體物理中，例如在研究太陽黑子的平衡、日珥的支撐、星際間無作用力場等問題的解決中也很重要。 研究磁場力對導(dǎo)電流體定常運動的影響。方程的非線性使磁流體動力學(xué)流動的數(shù)學(xué)分析復(fù)雜化，通常要用近似方法或數(shù)值法求解。它們雖然是簡化情況的解，然而清晰地闡明了基本的流動規(guī)律，利用這些規(guī)律至少可以定性地討論更復(fù)雜的磁流體動力學(xué)流動。 研究磁流體動力學(xué)波，包括小擾動波、有限振幅波和激波。了解等離子體中波的傳播規(guī)律，可以探測等離子體的某些性質(zhì)。此外，激波理論在電磁激波管、天體物理和地球物理上都有重要的應(yīng)用。 等離子體的密度范圍很寬。對于極其稀薄的等離子體，粒子間的碰撞和集體效應(yīng)可以忽略，可采用單粒子軌道理論研究等離子體在磁場中的運動。對于稠密等離子體，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種等離子體在磁場中的運動有兩種方法。一是統(tǒng)計力學(xué)方法，即所謂等離子體動力論，它從微觀出發(fā)，用統(tǒng)計方法研究等離子體在磁場中的宏觀運動；二是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法即磁流體力學(xué)，把等離子體當作連續(xù)介質(zhì)來研究它在磁場中的運動。 磁流體力學(xué)是在非導(dǎo)電流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)電流體中流場和磁場的相互作用。進行這種研究必須對經(jīng)典流體力學(xué)加以修正，以便得到磁流體力學(xué)基本方程組。 磁流體力學(xué)基本方程組具有非線性且包含方程個數(shù)又多，所以求解困難。但在實際問題中往往不需要求最一般形式的方程組的解，而只需求某一特殊問題的方程組的解。一般應(yīng)用量綱分析和相似律求得表征一個物理問題的相似準數(shù)，并簡化方程，即可得到有實用價值的解。 磁流體力學(xué)相似準數(shù)有雷諾數(shù)、磁雷諾數(shù)、哈特曼數(shù)、馬赫數(shù)、磁馬赫數(shù)、磁力數(shù)、相互作用數(shù)等。求解簡化后的方程組不外是分析法和數(shù)值法。利用計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)方法可以求解較復(fù)雜的問題。 磁流體力學(xué)的理論很難像普通流體力學(xué)理論那樣得到充分的驗證。由于在常溫下可供選擇的介質(zhì)很少，同時需要很強的磁場才能觀察到磁流體力學(xué)現(xiàn)象，故不易進行模擬。模擬天體大尺度的磁流體力學(xué)問題更不易在實驗室中實現(xiàn)。所以磁流體力學(xué)的理論有的可以得到定量驗證，有的只能得到定性或間接的驗證。當前有關(guān)磁流體力學(xué)的實驗是在各種等離子體發(fā)生器和受控熱核反應(yīng)裝置中進行的。 磁流體力學(xué)的應(yīng)用 磁流體力學(xué)主要應(yīng)用于三個方面：天體物理、受控熱核反應(yīng)和工業(yè)。 宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當前，關(guān)于太陽的研究課題有：太陽磁場的性質(zhì)和起源，磁場對日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場存在的可能性，太陽風(fēng)與地球磁場相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場的起源，等等。 磁流體力學(xué)在受控核反應(yīng)方面的應(yīng)用，有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達到5000萬到1億度，并對粒子密度和約束時間有較高的要求。而使用環(huán)形磁約束裝置在受控熱核反應(yīng)的研究中顯出較好的適用性和優(yōu)越性。 磁流體力學(xué)除了與開發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15～20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。 飛行器再入大氣層時，激波、空氣對飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場裝置過重，這種設(shè)想尚未能實現(xiàn)。 此外，電磁流量計、電磁制動、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學(xué)在工業(yè)應(yīng)用上所取得的成就。