Elektromagnetische Hydrodynamik (EMHD)
Michael Faraday war jung und glücklich. Erst vor kurzem verließ er die Buchbinderei und vertiefte sich in physikalische Experimente und wie seltsam er sie fand.
Das neue Jahr 1821 nahte. Die Familie erwartete Gäste. Eine liebevolle Frau hat zu diesem Anlass einen Apfelkuchen gebacken. Der wichtigste „Leckerbissen“, den Faraday für sich zubereitete, war eine Tasse Quecksilber. Die silberne Flüssigkeit bewegte sich auf seltsame Weise, wenn ein Magnet in ihre Nähe bewegt wurde. Ein stationärer Magnet hat keine Wirkung. Die Gäste waren zufrieden. Es schien, als ob bei der Annäherung an den Magneten „einfach“ etwas im Quecksilber auftauchte. Was?
Viel später, im Jahr 1838, beschrieb Faraday eine ähnliche Bewegung einer Flüssigkeit, jedoch nicht von Quecksilber, sondern von gut gereinigtem Öl, in die das Ende eines Drahtes aus einer Voltaiksäule eingetaucht war. Die wirbelnden Wirbel der Ölströme waren deutlich zu erkennen.
Nach weiteren fünf Jahren führte der Forscher schließlich das berühmte Waterloo-Bridge-Experiment durch, bei dem er zwei mit einem empfindlichen Gerät verbundene Drähte in die Themse ließ. Er wollte die Spannung ermitteln, die durch die Bewegung von Wasser im Erdmagnetfeld entsteht.Das Experiment war erfolglos, da die erwartete Wirkung durch andere, rein chemischer Natur, gedämpft wurde.
Doch später entstand aus diesen Experimenten eines der interessantesten Gebiete der Physik – Elektromagnetische Hydrodynamik (EMHD) – Wissenschaft der Wechselwirkung eines elektromagnetischen Feldes mit einem flüssig-flüssigen Medium… Es kombiniert die klassische Elektrodynamik (fast alle von Faradays brillantem Anhänger J. Maxwell geschaffen) und die Hydrodynamik von L. Euler und D. Stokes.
Die Entwicklung von EMHD verlief zunächst langsam, und ein Jahrhundert nach Faraday gab es keine besonders wichtigen Entwicklungen auf diesem Gebiet. Erst in der Mitte dieses Jahrhunderts waren die theoretischen Studien weitgehend abgeschlossen. Und bald begann die praktische Nutzung des von Faraday entdeckten Effekts.
Es stellte sich heraus, dass, wenn sich eine hochleitfähige Flüssigkeit (geschmolzene Salze, flüssige Metalle) in einem elektromagnetischen Feld bewegt, darin ein elektrischer Strom entsteht (Magnetohydrodynamik – MHD). Auch schlecht leitende Flüssigkeiten (Öl, Flüssiggas) „reagieren“ auf die elektromagnetische Wirkung durch das Auftreten elektrischer Ladungen (Elektrohydrodynamik – EHD).
Offensichtlich kann eine solche Wechselwirkung auch zur Steuerung der Durchflussrate eines flüssigen Mediums durch Änderung der Feldparameter genutzt werden. Aber die genannten Flüssigkeiten sind der Hauptgegenstand der wichtigsten Technologien: Metallurgie von Eisen- und Nichteisenmetallen, Gießerei, Ölraffination.
Praktische Ergebnisse des Einsatzes von EMHD in technologischen Prozessen
EMHD steht im Zusammenhang mit technischen Problemen wie der Plasmaeindämmung, der Kühlung flüssiger Metalle in Kernreaktoren und dem elektromagnetischen Gießen.
Quecksilber ist bekanntermaßen giftig. Doch bis vor Kurzem wurde es bei der Herstellung von Hand gegossen und umgefüllt.MHD-Pumpen nutzen nun ein wanderndes Magnetfeld, um Quecksilber durch eine absolut dichte Rohrleitung zu pumpen. Eine sichere Produktion und höchste Metallreinheit werden gewährleistet, Arbeits- und Energiekosten werden reduziert.
Es wurden Anlagen unter Verwendung von EMDG entwickelt und sind im Einsatz, die es geschafft haben, die manuelle Arbeit beim Transport von geschmolzenem Metall vollständig zu eliminieren – magnetodynamische Pumpen und Anlagen ermöglichen die Automatisierung des Gießens von Aluminium und Nichteisenlegierungen. Die neue Technologie veränderte sogar das Aussehen der Gussteile und machte sie hell und sauber.
EMDG-Anlagen werden auch zum Gießen von Eisen und Stahl eingesetzt. Es ist bekannt, dass dieser Prozess besonders schwierig zu mechanisieren ist.
In der Produktion wurden Flüssigmetallgranulatoren eingeführt, die Kugeln mit idealer Form und gleichen Abmessungen liefern. Diese „Kugeln“ werden häufig in der Nichteisenmetallurgie verwendet.
EHD-Pumpen wurden zur Kühlung leistungsstarker Röntgenröhren entwickelt und eingesetzt, in denen das Kühlöl intensiv in einem elektrischen Feld fließt, das durch eine Hochspannung an der Kathode der Röhre erzeugt wird. Die EHD-Technologie wurde für die Pflanzenölverarbeitung entwickelt. EHD-Düsen werden auch in Automatisierungs- und Robotikgeräten eingesetzt.
Magnetohydrodynamische Sensoren werden zur genauen Messung von Winkelgeschwindigkeiten in Trägheitsnavigationssystemen, beispielsweise in der Raumfahrttechnik, eingesetzt. Die Genauigkeit verbessert sich mit zunehmender Sensorgröße. Der Sensor übersteht raue Bedingungen.
Ein MHD-Generator oder Dynamo wandelt Wärme oder kinetische Energie direkt in Elektrizität um. MHD-Generatoren unterscheiden sich von herkömmlichen elektrischen Generatoren dadurch, dass sie bei hohen Temperaturen ohne bewegliche Teile betrieben werden können.Das Abgas eines Plasma-MHD-Generators ist eine Flamme, die die Kessel eines Dampfkraftwerks erhitzen kann.
Das Funktionsprinzip eines magnetohydrodynamischen Generators ist nahezu identisch mit dem herkömmlichen Funktionsprinzip eines elektromechanischen Generators. Genau wie bei einer herkömmlichen EMF in einem MHD-Generator wird sie in einem Draht erzeugt, der die magnetischen Feldlinien mit einer bestimmten Geschwindigkeit kreuzt. Wenn jedoch die beweglichen Drähte herkömmlicher Generatoren in einem MHD-Generator aus massivem Metall bestehen, stellen sie einen Strom aus leitfähiger Flüssigkeit oder Gas (Plasma) dar.
Modell der magnetohydrodynamischen Einheit U-25, Staatliches Polytechnisches Museum (Moskau)
1986 wurde in der UdSSR das erste Industriekraftwerk mit einem MHD-Generator gebaut, doch 1989 wurde das Projekt vor der Einführung von MHD abgebrochen, und dieses Kraftwerk schloss sich später als 7. Kraftwerk konventioneller Bauart dem Ryazan GRES an.
Die Liste praktischer Anwendungen der elektromagnetischen Hydrodynamik in technologischen Prozessen lässt sich vervielfachen. Natürlich sind diese erstklassigen Maschinen und Anlagen aufgrund des hohen Entwicklungsstandes der EMHD-Theorie entstanden.
Der Fluss dielektrischer Flüssigkeiten – Elektrohydrodynamik – ist eines der beliebtesten Themen verschiedener internationaler wissenschaftlicher Fachzeitschriften.