РЕАЛЬНА ФІЗИКА

Глосарій з фізики

Наш корпоративный союз banwar.org

Магнітна гідродинаміка - наука про рух електропровідних газів і рідин у взаємодії з магнітним полем. При русі електропровідного середовища (газу, рідини), що знаходиться в магнітному полі, в ній індукуються електричного поля і струми, на які діє магнітне поле і які самі можуть вплинути на магнітне поле. Таким чином виникає складна картина взаємодії магнітних і гідродинамічних явищ, яка повинна розглядатися на основі спільних рівнянь гідродинаміки і електромагнітного поля.

Магнітна проникність середовищ, що вивчаються магнітної гідродинаміки, зазвичай мало відрізняється від одиниці, так що магнітна індукція В і напруженість магнітного поля Н збігаються і можна говорити просто про магнітне поле. Магнітна гідродинаміка була сформульована як самостійно. наука в 40-х рр. 20 в. X. Альвеном (Н. Alfven), який показав велике значення магнітної гідродинаміки для астрофізики і передбачив теоретично новий вид хвиль, характерних для добре провідного середовища, що знаходиться в магнітне поле, т. Н. МГД-хвилі (Ал'веновскіе хвилі). Перші додатки магнітної гідродинаміки ставилися до фізики Сонця, що розглядає такі завдання, як механізм генерації основного магнітного поля Сонця, освіту і динаміка сонячних плям, конвекція в разл. шарах атмосфери Сонця, різноманітні прояви сонячної активності - протуберанці, сонячні спалахи і т. д. Крім звичайних зірок (таких, як Сонце) і т. н. магнітних зірок з магнітними полями Гс цікавими об'єктами магнітної гідродинаміки є також білі карлики з полями Гс, вибухають зірки - нові і найновіші - і пульсари - нейтронні зірки, магнітне поля яких досягають Гс. Поведінка розрідженого міжзоряного газу, пронизаного слабкими магнітними полями Гс, теж визначається законами магнітної гідродинаміки, т. К. В них щільність магнітної енергії має той же порядок величини, що і щільність енергії речовини (див. Нижче). До завдань магнітної гідродинаміки відносяться і походження магнітного поля Галактики, проблема геомагнітного поля Землі, яке генерується МГД-процесами в рідкому земному ядрі (див. гідромагнітна динамо ), А також процеси, обумовлені взаємодією сонячного вітру з геомагнітним полем, різноманітні явища в магнітосфері Землі. Аналогічні завдання виникають при вивченні ін. Планет і пов'язаних з ними магнітних полів. Магнітна гідродинаміка розвивалася також у зв'язку з дослідженнями проблеми УТС, який може здійснитися у гарячій плазмі, утримуваної магнітним полем.

Іншими лабораторними об'єктами магнітної гідродинаміки є низькотемпературна плазма , Рідкі метали і електроліти. Різні ефекти, що вивчаються магнітної гідродинаміки, знаходять застосування в інженерній практиці (див., Напр., Магнітогідродинамічний генератор ).

Рівняння магнітної гідродинаміки

Магнітогідродінаміч. підхід для опису електропровідного середовища використовується, якщо характерні для розглянутого руху відстані і проміжки часу великі в порівнянні з довжиною пробігу і часом пробігу носіїв струму (електронів та іонів).

У більшості випадків, розглянутих магнітної гідродинаміки, швидкість середовища v можна вважати малою порівняно з швидкістю світла ; в цьому випадку електричного поля (енергія) в середовищі малі в порівнянні з магнітним полем (енергією): що і зумовило назву магнітної гідродинаміки.

У магнітної гідродинаміки використовуються рівняння Максвелла без урахування струму зміщення, т. Е. і закон Ома для рухомого середовища. З цих рівнянь можна отримати рівняння для магнітного поля в рухомому середовищі - рівняння індукції. У найпростішому випадку, коли електропровідність середовища а можна вважати ізотропної і однорідної, рівняння індукції має вигляд:

Тут перший член справа описує індукційний ефект, а другий - дифузію магнітного поля з коефіцієнтом дифузії називається також (не дуже вдало) магнітної в'язкістю але аналогії зі звичайною гидродинамикой. При більш загальній формі закону Ома рівняння індукції ускладнюється. Крім рівняння індукції магнітної гідродинаміки використовує також всю систему рівнянь звичайної гідродинаміки, що включає рівняння безперервності, рівняння руху рідини л рівняння балансу тепла.

Магнітне поле діє на рідину розподіленої за обсягом магнітної силою, наз. Лоренца силою . Щільність цієї сили (/ - щільність електричного струму) і може бути також виражена безпосередньо через магнітне поле у ​​вигляді Другий член цього виразу - градієнт магнітного тиску, яке додається до гидростатич. тиску рідини, а перший член може бути інтерпретований як квазіпружної натяг уздовж магнітних силових ліній. Застосування рівнянь магнітної гідродинаміки для плазми обмежується вимогами, щоб час між зіткненнями частинок було мало в порівнянні з характерним часом розглянутого процесу, а довжина вільного пробігу мала в порівнянні з характерною довжиною. Іноді для опису плазми використовується система рівнянь многожідкостной гідродинаміки, напр. рівняння дворідинної гідродинаміки плазми для найпростішої повністю іонізованої плазми, що складається з електронів і одного сорту іонів. При описі плазми малої щільності, коли частота зіткнень між частинками зменшується, або при високій її температурі, коли довжина вільного пробігу порівнянна з характерною довжиною, гидродинамич. підхід стає непридатним і плазму описують за допомогою кінетичних рівнянь . Електромагнітне поле можна як і раніше описувати рівняннями Максвелла без струму зміщення. При цьому багато ефекти, характерні для магнітної гідродинаміки, якісно зберігаються, але з'являються разл. нові ефекти.

Процеси з різною електропровідністю

Характер взаємодії провідної рідини і магнітного поля визначається т. Н. магнітним числом Рейнольдса, за аналогією зі звичайним числом Рейнольдса, де L - характерна довжина, v - характерна швидкість для даного процесу. За величиною параметра всі процеси в магнітної гідродинаміки можна розділити на два класи, що характеризуються малою провідністю, тоді і великий провідність,

Випадок малої провідності (часто навіть ) Реалізується в лабораторних і техн. установках з рідкими металами і низькотемпературної плазмою. В цьому випадку магнітне поле під дією рухомої рідини змінюється порівняно мало, можна вважати, що воно задається ззовні. При русі рідини в цьому полі індукується електричний струм I і створювана ним сила Лоренца впливає на рух рідини, т. е. викликає МГД-ефекти. Малий вплив течії на поле але означає малості МГД-ефектів, т. К. Сила Лоренца цілком може бути порівнянна з ін. Діючими в рідини силами. Практично здійсненні магнітного поля можуть сильно впливати на потоки металів або плазми, напр. магнітне тиск досягає величини атм при Гс і далі зростає з полем квадратично.

Якщо до електропровідний рідини, поміщеної в магнітне поле, докласти зовнішню е.р.с., то що виник струм створить силу F, яка змусить рідина рухатися - на цьому принципі заснована дія МГД-насосів для перекачування рідких металів і робота ін. Аналогічних пристроїв. З іншого боку, якщо потік провідного середовища, напр. плазми, утвореної продуктами згоряння (зазвичай з добавками для полегшення іонізації ), Пропустити поперек зовнішнього магнітного поля, то в плазмі індукується ЕРС. На цьому принципі заснована дія магнитогидродинамических генераторів , Що перетворюють теплову енергію в електричну.

Найбільш яскраво закони магнітної гідродинаміки проявляються при , Т. Е. У разі великої провідності середовища або при її великих розмірах. Ця умова виконується для астрофіз. об'єктів, а в лабораторних умовах - для гарячої плазми термоядерних пристроїв. У граничному випадку , Коли можна знехтувати дифузією магнітного поля, вплив руху електропровідний рідини на магнітне поле допускає наочну інтерпретацію, зазначену Альвеном і яка полягає в тому, що магнітні силові лінії як би приклеєні до частинкам рідини і захоплюються ними при їх русі. Відповідно до закону індукції Фарадея, при зміні магнітного потоку через матеріальний контур в ньому створюється ЕРС. Умова відповідає , І в цьому випадку ЕРС привела б до появи нескінченно великого струму, що неможливо. Отже, магнітне поле повинно змінюватися з часом так, щоб магнітний потік через будь-який матеріальний контур не змінювався. Тоді кажуть, слідуючи Альвену, про "вмороженності" магнітного поля в ідеально провідне середовище. У загальному випадку зміна магнітного поля складається з його перенесення рухомим проводять речовиною і дифузії щодо цієї речовини. Перенесення переважає над дифузією при що особливо сильно проявляється для астрофіз. об'єктів, де

Проблема МГД-динамо

Магнітні поля поширені в космосі дуже широко, практично вони є скрізь, хоча ніяких "пристроїв" для створення поля там немає. Тому одна з найважливіших проблем магнітної гідродинаміки - це з'ясування того, як створюються магнітні поля при русі добре провідного середовища - т. Зв. проблема МГД-динамо. У вирішенні цієї проблеми прийнято розрізняти два етапи: 1) дослідження самозбудження магнітного поля при заданих швидкостях рідини - кінематіч. теорія динамо, і 2) дослідження самозбудження магнітного поля і руху провідної рідини одночасно з урахуванням діючих сил - повна теорія МГД-динамо, яка розвивається для конкретних фізичних систем. Проблема МГД-динамо старше, ніж сама наука магнітної гідродинаміки: ще в 1919 Дж. Лармор (J. Larmor) висловив гіпотезу про те, що магнітне поле Сонця створюється механізмом МГД-динамо. З тих пір кінематіч. теорія МГД-динамо досягла досить високого ступеня розвитку. Показано, що МГД-динамо має бути геометрично досить складним; наприклад, при аксіальній симетрії магнітного поля і швидкості рідини самопідтримки поля неможливо. Для досить складних конфігурацій доведена можливість самопідтримки поля і побудовано багато разл. моделей МГД-динамо, стаціонарних і нестаціонарних, з ламінарним і з турбулентним рухом рідини. Найважливіший результат теорії - доказ того, що істотним фактором у генерації магнітного поля є наявність спіральності у потоку рідини. У т. Н. магнітної гідродинаміки середніх полів показано, що при відсутності в потоці відбивної симетрії (переважання правих чи лівих дрібномасштабних гвинтових рухів) виникає ЕРС, спрямована уздовж усередненого по дрібномасштабним рухам магнітного поля. Це явище наз. -ефекту. Самопідтримки магнітного поля можливо в системах з досить великою величиною -ефекту. Самопідтримки поля ще ефективніше в системах, де -ефект поєднується з великомасштабним плином, здатним посилювати магнітне поле витягуванням магнітних силових ліній при неоднорідному обертанні рідини. Саме такого типу процес самопідтримки магнітного поля реалізується, напр., В МГД-динамо Землі і Сонця.

МГД-хвилі, розриви і струмові шари

Поширення малих збурень в добре провідному середовищі , Що знаходиться в магнітному полі, призводить до появи магнитогидродинамических (альвенівських) хвиль, обумовлених квазіпружної натягом магнітних силових ліній. У нестисливої ​​рідини ці хвилі поширюються уздовж магнітного поля з альвеновской швидкістю , де - щільність рідини. Ці хвилі поперечні, і можливі два види хвиль, що відрізняються напрямком поляризації. У сжимаемой зі швидкістю звуку середовищі можливі три види МГД-хвиль: хвиля Альвена зі швидкістю v A і дві магнітозвукових хвилі - швидка і повільна, швидкості яких залежать від , і від напрямку поширення (див. Хвилі в плазмі ) .Наявність трьох видів хвиль враховується при вирішенні таких завдань магнітної гідродинаміки, як протягом рідини в обмежених областях простору і обтікання твердих тіл потоком. Потік, який має дуже велику швидкість, здатний витягати магнітні силові лінії далеко в просторі. Так утворюється довгий хвіст магнітосфери Землі під дією сонячного вітру.

При поширенні великих збурень утворюється більше число МГД-розривів в порівнянні зі звичайною гидродинамикой. Можливі швидкі і повільні ударні хвилі, контактні і тангенціальні розриви, в яких немає потоку маси через розрив, а розривається поле (див. розриви магнитогидродинамические ). У контактному розриві магнітне поле перетинає кордон розділу двох середовищ з разл. плотностями і температурами, перешкоджаючи їх відносить. руху. У тангенціальному розриві поле не перетинає кордон розділу двох середовищ (його складова, нормальна до кордону, дорівнює нулю). На такому розриві швидкість і магнітне поле дотичних до поверхні розриву і відчувають довільні по величині й напрямку скачки. Крім того, можливі специфічні для магнітної гідродинаміки, що поширюються зі швидкістю Альвена обертальні розриви, в яких вектор магнітного поля, не змінюючи своєї величини, повертається щодо нормалі до розриву. Тангенціальні розриви в звичайній гідродинаміці нестійкі, але магнітне поле при деяких умовах може їх стабілізувати.

На кордонах течії з твердими стінками можливі різні види прикордонних шарів. Типовим є шар Гартмана, товщиною , Що виникає при наявності нормального до кордону магнітного поля. Вплив магнітного поля на рух рідини описується Гартмана числом . При МГД-течіях в каналах з магнітним полем, спрямованим поперек течії, часто число Гартмана має велику величину У цьому випадку формується однорідний основний потік, магнітне поле робить профіль швидкостей більш плоскими зменшує пор. швидкість руху, а падіння швидкості зосереджується в тонкому шарі біля стінки; при спостерігається звичайне для гідродинаміки Пуазейля протягом .

У дуже добре провідному середовищі, напр. в космічних. плазмі, можливе утворення тонких шарів всередині обсягу, займаного середовищем. Такі тонкі шари, що розділяють області з магнітними полями протилежного напрямку, і інші вузькі області з дуже різко мінливих магнітним полем - т. Зв. нейтральні струмові шари. У цих шарах змінюється топологія магнітного поля в результаті дифузійного перез'єднання магнітних силових ліній, і тут може відбуватися швидка анігіляція магнітної енергії з переходом її в інші форми (саме цими процесами пояснюються спалахи на Сонці ).

Гаряча плазма в магнітному полі

Численні завдання магнітної гідродинаміки пов'язані з дослідженнями різних систем для нагріву плазми в магнітному полі з метою здійснення керованої термоядерної реакції. Потужний імпульс електричного струму, що пропускається через плазму, викликає її стиснення силою, створюваної магнітним полем струму. Це явище, наз. пинч-ефектом , Супроводжується виникненням сходяться до осі ударних хвиль, сильним нагріванням плазми і руйнуванням її конфігурації через розвиток разл. МГД-неустойчивостей. Широке коло завдань магнітної гідродинаміки пов'язаний з рівновагою і стійкістю плазми, ізольованою магнітним полем від стінок посудини. При цьому спостерігається різноманітність рівноважних конфігурацій плазми, що створюються зовнішнім магнітним полем і полем струмів, поточних по плазмі. Плазма в магнітному полі виявляється вельми нестійкою, і потрібно дотримуватися певних, досить жорстких, критеріїв для того, щоб її утримання стало можливим.

Обертові МГД-системи

У астрофіз. і геофиз. системах (галактиках, зірках, рідких ядрах Землі і планет) поряд з магнітною силою діють сила Коріоліса і гравитац. сила, що викликає конвекцію речовини. сила Коріоліса , Що виявляється при обертанні середовища з кутовий швидкістю , Робить вирішальний вплив на рух рідини. Вона закручує частки, сприяючи тим самим появі гвинтових рухів рідини. Сила Коріоліса як би вносить в рідину деяку еф. пружність, яка характеризується частотою . Це призводить до зміни частот альвенівських коливань і хвиль. Напр., У обертається нестисливої ​​рідини з магнітним полем при виявляються можливими дуже повільні хвилі зі швидкостями порядку . Така ситуація має місце в рідкому ядрі Землі, де ці хвилі збуджуються архимедовой силою спливання в полі тяжіння і при цьому перебувають в рівновазі сили: магнітна, Архімода і Коріоліса, тому їх зв. МАК-хвилями. Ці хвилі в ядрі Землі мають періоди порядку 103 років і проявляються у вигляді вікових варіацій геомагнітного поля (див. магнітні варіації ).

Дослідження багатьох астрофізічніх систем виробляти до складних проблем конвекції електропровідній Рідини при наявності магнітного поля и Обертаном. До їх числа відносіться проблема генерації магнітного поля Землі и планет, Сонця, зірок и галактик. Тут постають такі питання, як стійкість, конвекція і розвинена турбулентність при наявності магнітного поля і обертання, самозбудження магнітного поля при русі провідної рідини і зворотний вплив порушеної поля на рух. Генерації поля сприяє спіральність руху, а наявність сили Коріоліса сприяє створенню спіральності в конвективних рухах. Конвекція і обертання - це осн. складові механізму МГД-динамо в геофізики і астрофізики.

Електрогідродінаміка і Ферогідродинаміка

Можна відзначити два розвинулися за останні декілька. десятиліть і що склалися до наст. часу в самостійно. розділи механіки суцільних середовищ напрямки досліджень, також розглядають взаємодію рідин і газів з електромагнітним полем, але відмінних від магнітної гідродинаміки. У середовищах з дуже малою електропровідністю і без прикладеного ззовні великого магнітного поля при визначальним у взаємодії електромагнітного поля з середовищем є не магнітне, а електричне поле. Цю область зі своїм колом цікавих завдань і додатку зв. електрогідродінамікой, або електрогазодінамікой (ЕГД). Електричне поле описується в ЕГД законами електростатики, а його вплив на середовище - електричної частиною сили Лоренца ( - щільність електричного заряду, яка явно входить в рівняння ЕГД). Електричний струм в таких умовах не тільки визначається самостійно. рухом заряду, але і враховуються ток терпи заряду рідиною і струм зміщення. При цьому магнітне поле дуже мало,

Близька до магнітної гідродинаміки, але має суттєві відмінності від неї гідродинаміка намагнічуються рідин, або Ферогідродинаміка (ФГД). Ця молода галузь науки вже сильно розвинулася теоретично і знайшла практичне застосування. На противагу магнітної гідродинаміки, взаємодія магнітного поля з рідиною в ФГД не пов'язане з електричним струмом, а засноване на здатності рідини сильно намагнічуватися. Рідкі метали не володіють феромагнітними властивостями, тому об'єктом ФГД є мистецтв. намагнічуватися рідини, які представляють собою суспензії дуже дрібних частинок феромагнетика в звичайних, як правило непроводящих, рідинах. Малі однодоменних частки феромагнетика відчувають інтенсивне броунівський рух . Ферросуспензія подібна Парамагнітна газу, але носіями магнетизму в ній є не окремі молекули, а частинки феромагнетика, тому намагніченість ферросуспензій може бути вельми великий. Це обумовлює можливість великих магнітним сил, що діють на рідину, і значного зворотного впливу рідини на магнітне поле за рахунок ефектів намагнічування. Залежність намагніченості від температури і вплив обертання рідини збільшують різноманітність ефектів ФГД (докладніше див. магнітні рідини ).

Література з магнітної гідродинаміки

1. Альвен X., Фельтхаммар К-Г., Космічна електродинаміка, пер. з англ., 2 вид., М., 1967;
2. Шліоміс М. І., Магнітні рідини, "УФН", 1974, т. 112, с. 427;
3. Гельфгата Ю М Ліелаусіс О. А., Щербінін Е. В., Рідкий метал під дією електромагнітних сил, Рига, 1976;
4. Моффат Г., Порушення магнітного поля в провідному середовищі, пров. з англ., М., 1980;
5. Електрогазодінаміческіе течії, М., 1983;
6. Бочкарьов Н. Г., Магнітні поля в космосі, М., 1985.

І. С. Брагінський

Чи знаєте Ви,

в чому хибність поняття "фізичний вакуум"?

Фізичний вакуум - поняття релятивістської квантової фізики, під ним там розуміють нижчу (основне) енергетичний стан квантованного поля, що володіє нульовими імпульсом, моментом імпульсу і іншими квантовими числами. Фізичним вакуумом релятивістські теоретики називають повністю позбавлене речовини простір, заповнений неізмеряемих, а значить, лише уявним полем. Такий стан на думку релятивістів не є абсолютною порожнечею, але простором, заповненим якимись фантомними (віртуальними) частками. Релятивістська квантова теорія поля стверджує, що, в згоді з принципом невизначеності Гейзенберга, в фізичному вакуумі постійно народжуються і зникають віртуальні, тобто що здаються (кому здаються?), Частки: відбуваються так звані нульові коливання полів. Віртуальні частки фізичного вакууму, а отже, він сам, за визначенням не мають системи відліку, так як в противному випадку порушувався б принцип відносності Ейнштейна, на якому ґрунтується теорія відносності (тобто стала б можливою абсолютна система вимірювання з відліком від частинок фізичного вакууму, що в свою чергу однозначно спростувало б принцип відносності, на якому збудують СТО). Таким чином, фізичний вакуум і його частки не є елементи фізичного світу, але лише елементи теорії відносності, які існують не в реальному світі, але лише в релятивістських формулах, порушуючи при цьому принцип причинності (виникають і зникають безпричинно), принцип об'єктивності (віртуальні частинки можна вважати в завісімсоті від бажання теоретика або існуючими, або неіснуючими), принцип фактичної вимірності (не спостережувані, не мають своєї ІСО).

Коли той чи інший фізик використовує поняття "фізичний вакуум", він або не розуміє абсурдність цього терміна, або лукавить, будучи прихованим або явним прихильником релятивістської ідеології.

Зрозуміти абсурдність цього поняття найлегше звернувшись до витоків його виникнення. Народжене воно було Полем Діраком в 1930-х, коли стало ясно, що заперечення ефіру в чистому вигляді, як це робив великий математик, але посередній фізик Анрі Пуанкаре , Вже не можна. Занадто багато фактів суперечить цьому.

Для захисту релятивізму Поль Дірак ввів афізіческое і алогічне поняття негативної енергії, а потім і існування "моря" двох компенсують один одного енергій в вакуумі - позитивної і негативної, а також "моря" компенсують один одного частинок - віртуальних (тобто здаються) електронів і позитронів в вакуумі.

Однак така постановка є внутрішньо суперечливою (віртуальні частинки ненаблюдаеми і їх по свавіллю можна вважати в одному випадку відсутніми, а в іншому - присутніми) і суперечить релятивізму (тобто заперечення ефіру, так як при наявності таких частинок у вакуумі релятивізм вже просто неможливий). Детальніше читайте в FAQ по ефірної фізіці .

НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру 12.07.2019 - 17:46: ФІЗИКА ЕФІРУ - Aether Physics -> Поняття часу і ефір - Владімір_Афонін.
11.07.2019 - 7:14: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема державного тероризму - Карім_Хайдаров.
11.07.2019 - 7:13: ЕКОЛОГІЯ - Ecology -> Біологічна безпека населення - Карім_Хайдаров.
11.07.2019 - 6:57: СОВІСТЬ - Conscience -> російський СВІТ - Карім_Хайдаров.
07.07.2019 - 9:52: НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ШТУЧНОГО ІНТЕЛЕКТУ - Карім_Хайдаров.
07.07.2019 - 9:49: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від О.Н. Четверикова - Карім_Хайдаров.
03.07.2019 - 5:38: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від В'ячеслава Осієвського - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 10:01: Сейсмологи - Seismology -> Запаси води під Землею - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 10:00: ЕКОЛОГІЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА прісної води - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:57: ЕКОНОМІКА І ФІНАНСИ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА криміналізації економіки - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:56: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДІЯ.НЕТ - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:53: НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ - New Technologies -> "Зеніт" і з "Протон" ами будут падати - Карім_Хайдаров.