簡介
磁流體力學磁流體靜力學研究導電流體在磁場力作用下靜平衡的問題；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。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。
導電流體有電漿和液態金屬等。電漿是電中性電離氣體，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電漿，但對地球來說，除大氣上層的電離層和輻射帶是電漿外，地球表面附近（除閃電和極光外）一般不存在自然電漿；但可通過氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對論電子束和雷射等方法產生人工電漿（見電漿發生器）。
能套用磁流體力學處理的電漿溫度範圍頗寬，從磁流體發電的幾千開到受控熱核反應的幾億開量級（還沒有包括固體電漿）。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。
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﹐這就是產旁際母蕁Ｔ碩г詿帕魈辶ρе杏兄煌暮濠o它研究磁場的“運動”﹐即在介質流動下磁場的演變。與正壓流體中的渦鏇相似﹐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。
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H.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（見電漿動力學）、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S.倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存電漿的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束方法就是利用這個原理來約束溫度高達一億度量級的電漿。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。
研究方法
電漿的密度範圍很寬。對於極其稀薄的電漿，粒子間的碰撞和集體效應可以忽略，可採用單粒子軌道理論研究電漿在磁場中的運動。對於稠密電漿，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種電漿在磁場中的運動有兩種方法。一是統計力學方法，即所謂電漿動力論，它從微觀出發，把氣體當作正、負粒子和中性粒子的混合物，並考慮粒子之間的相互碰撞影響，用統計方法研究電漿在磁場中的巨觀運動；一是連續介質力學方法即磁流體力學，把電漿當作連續介質（見連續介質假設）來研究它在磁場中的運動。電漿動力論對電漿作最基本的描述，分析深刻，而磁流體力學則是它的一種巨觀近似，所以用電漿動力論能判斷磁流體力學處理實際問題的有效性。此外，電漿動力論還可用來計算磁流體力學中的一切輸運係數（如擴散、粘性、熱傳導和電阻係數等）並討論它們的物理機制。但這種方法的數學分析很困難，故在處理實際問題時，套用磁流體力學比較方便，而輸運係數則由實驗測定或用電漿動力學分析計算。對無碰撞的電漿,有時也可套用流體動力學方法,例如流體粒子的無規運動速度比巨觀速度小得多，即壓力和溫度可以忽略時，可用冷電漿模型和方程處理電漿在電磁場中的運動。固態電漿和冷電漿的模型很近似。儘管可以套用上述較簡單的磁流體力學理論解決實際問題，但在稀薄氣體的某些場合下，只有動力論的描述才是恰當的。例如平衡電漿中的電子電漿振盪所受的阻尼（即朗道阻尼）問題，是不可能用磁流體力學模型描述的，必須用動力論方法才能解決。
磁流體力學是在非導電流體力學的基礎上研究導電流體中流場和磁場的相互作用的。進行這種研究必須對經典流體力學加以修正，以便得到磁流體力學基本方程組，包括考慮介質運動的電動力學方程組和考慮電磁場作用的流體力學方程組。電動力學方程組包含電導率、電容率、磁導率；流體力學方程組包含粘性係數、熱導率、氣體比熱等物理參量。它們有時是常數，有時是其他量的函式。
磁流體力學基本方程組具有非線性且包含方程個數又多，造成求解困難。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。因此，在利用磁流體力學基本方程組來解決種種實際問題時，可在實驗或觀測的基礎上，建立表征研究對象主要實質的物理模型來簡化基本方程組。一般套用量綱分析和相似律求得表征一個物理問題的相似準數，並簡化方程，從而得到有實用價值的解。磁流體力學相似準數有雷諾數、磁雷諾數、哈特曼數(見哈特曼流動)、馬赫數、磁馬赫數、磁力數、相互作用數等。求解簡化後的方程組不外是分析法和數值法。利用計算機技術和計算流體力學方法可以求解較複雜的問題。
磁流體力學的理論很難像普通流體力學理論那樣得到充分的驗證。由於在常溫下可供選擇的介質很少，同時需要很強的磁場才能觀察到磁流體力學現象，故不易進行模擬。早期是用水銀進行實驗，但水銀在磁場中運動時只呈現出不可壓縮流體現象，而電漿處於高溫狀態，現象複雜，帶來許多有待研究的診斷問題（見電漿診斷）。模擬天體大尺度的磁流體力學問題更不易在實驗室中實現。所以磁流體力學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。當前有關磁流體力學的實驗是在各種電漿發生器和受控熱核反應裝置中進行的。
研究內容
首先是建立磁流體力學基本方程組，其次是用這個方程組來解決各種問題。後者主要包括：
①忽略磁場力對流體的作用，單獨考慮理想導電流體運動對磁場影響的問題，或流體靜止時，流體電阻對磁場影響的問題，其中包括磁凍結和磁擴散（見磁流體力學基本方程組）。
②通過磁場力來考察磁場對靜止導電流體或理想導電流體的約束機制。這個問題是磁流體靜力學的研究範疇，對受控熱核反應十分重要。磁流體靜力學在天體物理中，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中也很重要。
③研究磁場力對導電流體定常運動的影響。方程的非線性使磁流體動力學流動的數學分析複雜化，通常要用近似方法或數值法求解。對於一般的磁流體動力學流動雖然都有相應的研究,但僅少數有精確解,如哈特曼流動、庫埃特流動等。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律，利用這些規律至少可以定性地討論更複雜的磁流體動力學流動。
④研究磁流體動力學波，包括小擾動波、有限振幅波和激波。了解電漿中波（磁流體動力學波是其中一部分）的傳播規律，就可以探測電漿的某些性質。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套用。
套用
磁流體力學主要套用於三個方面：天體物理、受控熱核反應和工業。
天體物理、太陽物理和地球物理方面
宇宙中恆星和星際氣體都是電漿，而且有磁場，故磁流體力學首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發展和套用。當前，關於太陽的研究課題有：太陽磁場的性質和起源，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，太陽風與地球磁場相互作用產生的弓形激波，新星、超新星的爆發，地球磁場的起源，等等。
受控熱核反應方面
這方面的套用有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。受控熱核反應的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發生核聚變的高溫，並約束它足夠的時間，以使核反應產生的能量大於所消耗的能量。對氘、氚混合氣來說,要求溫度達到5000萬到1億開並要求粒子密度和約束時間的乘積不小於 10秒／厘米(勞孫條件)。 托卡馬克（環形磁約束裝置）在受控熱核反應研究中顯出優越性。美、蘇和一些西歐國家各自在托卡馬克的研究上取得進展，但只得到單項指標滿足勞孫條件的電漿，沒有得到溫度、密度和約束時間都滿足勞孫條件的電漿。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運行範圍都受穩定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩定性越差，所以必須開展對電漿中的平衡和大尺度不穩定性預測的磁流體力學研究，以期得到穩定的並充分利用磁場的托卡馬克磁約束裝置。
工業方面
磁流體力學除了與開發和利用核聚變能有關外，還與磁流體發電密切聯繫。磁流體發電的原理是用電漿取代發電機轉子，省去轉動部件，這樣可以把普通火力發電站或核電站的效率提高15～20％，甚至更高，既可節省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發電裝置的熱效率，必須運用磁流體力學來分析發電通道中的流動規律，傳熱、傳質規律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發電對產煤豐富的國家有重要意義，這種研究目前正向工業發電階段發展。蘇聯已實現天然氣磁流體發電。
用導電流體取代電動機轉子的設備，即用磁力驅動導電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學空間推進器（見電磁推進）。電磁泵已用於核能動力裝置中傳熱迴路內液態金屬的傳輸，冶金和鑄造工業中熔融金屬的自動定量澆注和攪拌，化學工業中汞、鉀、鈉等有害和危險流體的輸送等方面。電磁推進研究用磁場力加速電漿以期得到比化學火箭大得多的比沖。
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附近空氣受熱而電離成為電漿，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由於磁場裝置過重，這種構想尚未能實現。 此外，電磁流量計、電磁製動、電磁軸承（見潤滑理論、電磁激波管等也是磁流體力學在工業上套用所取得的成就。
關於低溫電漿技術，見電漿的工業套用。
湍流
帶磁導電流體中的湍流。當與磁場垂直方向的流體運動不足以克服磁場的張力時，只在平行於磁場的流體中才有湍流發生。只有流體運動的平均動能密度與磁能密度量級相同時，各向同性的磁流體力學湍流才能發展。流體的動能和磁能在磁流體力學湍流的最後階段，以粘滯和焦耳損耗方式轉變為分子熱能。這和無碰撞電漿不同,後者在其發展和衰變階段,可由粒子-波、波-波的互動作用（見電漿天體物理學），經過被加速粒子的逃逸和電磁波的輻射把能量散出。湍流的存在，使帶磁導電流體的平均運動增加了動態摩擦的因素。充分發展的磁流體力學湍流所產生的動態摩擦，遠遠大於分子熱運動所引起的粘滯效應。天體物理觀測證明，磁流體力學湍流是普遍存在的。例如，太陽對流層、緻密星的吸積盤、星系中的氣盤、超新星遺蹟所代表的激波波陣面後的區域、太陽風等，都有磁流體力學湍流發生。
二流體模型
實際情況中電漿往往是兩種或者兩種以上成分組成的流體，描述它們的方程組特別複雜，求解十分困難。一般情況下可以認為高度電離的電漿是由電子流體和離子流體兩種成分組成的，電漿的二流體模型或者雙流體模型研究它們各自的動力學方程，並且考慮它們之間的耦合。在電子和離子每種組分里，達到平衡時的麥克斯韋速度分布所需要的時間遠遠小於電子和離子之間發生熱交換的特徵時間，因此在這種近似下，電子和離子可以認為是各自獨立運動的，二者之間的碰撞導致了電漿電阻。
磁張力與磁壓力
將麥克斯韋方程組中的代入洛侖茲力可得:上式右邊第一項反映了大小為，沿著磁感線方向的磁張力，第二項反映了大小為，各向同性的磁壓力，其效果是壓縮電漿。因此，作用於某流體質元的磁力等效於磁張力與磁壓力的和。
磁擴散與磁凍結
在磁流體力學中，電漿可以看作是良導體，磁感應方程為：:其中，叫做磁粘滯係數或者磁擴散係數。如果磁雷諾數，則磁感應方程退化為擴散方程的形式:此時電漿會表現出磁擴散效應，磁場從強度大的區域向強度小的區域發生擴散。
如果磁雷諾數，或者流體的電導率，則磁感應方程退化為凍結方程：:此時電漿會表現出磁凍結效應，磁感線如同粘附在流體質元上，隨流體一起運動。
參考書目
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T.J.M.博伊德、J.J.桑德森著，戴世強、陸志雲譯：《電漿動力學》,科學出版社，北京，1977。(T.J.M.Boyd and J.J.Sanderson，Plasma Dynamics,Nelson,London,1969.)
M. Mitchner and C. H. Kruger Jr.，Partially Ionized Gases,John Wiley & Sons,New York,1973.
Shih-I Pai, Magnetogasd ynamics, and Plasma Dynamics,Springer-Verlag,Vienna,1961.
物理學知識2
| 物理學(PHYSICS)是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學，簡稱物理。物理學是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規律性的總結。 |
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