Hydrodynamique électromagnétique (EMHD)

Michael Faraday était jeune et heureux. Ce n'est que récemment qu'il a quitté les relieurs et s'est plongé dans des expériences physiques et à quel point il les a trouvées étranges.

La nouvelle année 1821 arrivait. La famille attendait des invités. Une femme aimante a préparé une tarte aux pommes pour l'occasion. La principale "friandise" que Faraday s'est préparée - une tasse de mercure. Le liquide d'argent se déplaçait d'une drôle de manière lorsqu'un aimant était déplacé près de lui. Un aimant stationnaire n'a aucun effet. Les invités étaient satisfaits. Il semblait qu'à mesure qu'il s'approchait de l'aimant, quelque chose "juste" apparaissait à l'intérieur du mercure. Quoi?

Beaucoup plus tard, en 1838, Faraday décrivit un mouvement similaire d'un liquide, mais pas de mercure, mais d'huile bien purifiée, dans lequel l'extrémité d'un fil d'une colonne voltaïque était immergée. Les tourbillons tourbillonnants des courants d'huile étaient clairement visibles.

Enfin, cinq ans plus tard, le chercheur a réalisé la célèbre expérience du pont de Waterloo en faisant tomber deux fils dans la Tamise connectés à un appareil sensible. Il voulait détecter la tension résultant du mouvement de l'eau dans le champ magnétique terrestre.L'expérience a échoué car l'effet attendu a été atténué par d'autres qui étaient de nature purement chimique.

Mais plus tard, de ces expériences est né l'un des domaines les plus intéressants de la physique - hydrodynamique électromagnétique (EMHD) - science de l'interaction d'un champ électromagnétique avec un milieu liquide-liquide… Il combine l'électrodynamique classique (presque entièrement créée par le brillant disciple de Faraday, J. Maxwell) et l'hydrodynamique de L. Euler et D. Stokes.

Le développement de l'EMHD a été initialement lent, et pendant un siècle après Faraday, il n'y a pas eu de développements particulièrement importants dans ce domaine. Ce n'est qu'au milieu de ce siècle que les études théoriques furent pour l'essentiel achevées. Et bientôt l'utilisation pratique de l'effet découvert par Faraday a commencé.

Il s'est avéré que lorsqu'un liquide hautement conducteur (sels fondus, métaux liquides) se déplace dans un champ électromagnétique, un courant électrique y apparaît (magnétohydrodynamique - MHD). Les liquides peu conducteurs (pétrole, gaz liquéfié) « réagissent » également à l'effet électromagnétique par l'apparition de charges électriques (électrohydrodynamique - EHD).

Bien entendu, une telle interaction peut également être utilisée pour contrôler le débit d'un milieu liquide en modifiant les paramètres de champ. Mais les liquides mentionnés sont l'objet principal des technologies les plus importantes : métallurgie des métaux ferreux et non ferreux, fonderie, raffinage du pétrole.

Résultats pratiques de l'utilisation de l'EMHD dans les processus technologiques

L'EMHD est liée à des problèmes d'ingénierie tels que le confinement du plasma, le refroidissement des métaux liquides dans les réacteurs nucléaires et la coulée électromagnétique.

Le mercure est connu pour être toxique. Mais jusqu'à récemment, lors de sa production, il était coulé et transféré à la main.Les pompes MHD utilisent désormais un champ magnétique mobile pour pomper le mercure à travers un pipeline absolument étanche. Une production sûre et la plus grande pureté du métal sont garanties, les coûts de main-d'œuvre et d'énergie sont réduits.

Des installations utilisant EMDG ont été développées et sont en cours d'utilisation, ce qui a réussi à éliminer complètement le travail manuel dans le transport du métal en fusion - les pompes et installations magnétodynamiques permettent d'automatiser le coulage de l'aluminium et des alliages non ferreux. La nouvelle technologie a même changé l'apparence des moulages, les rendant brillants et propres.

Les installations EMDG sont également utilisées pour la fonte et l'acier. Ce procédé est connu pour être particulièrement difficile à mécaniser.

Des granulateurs de métal liquide ont été introduits dans la production, donnant des sphères de forme idéale et de dimensions égales. Ces « boules » sont largement utilisées dans la métallurgie des non-ferreux.

Les pompes EHD ont été développées et utilisées pour refroidir de puissants tubes à rayons X dans lesquels l'huile de refroidissement circule intensément dans un champ électrique créé par une haute tension à la cathode du tube. La technologie EHD a été développée pour le traitement des huiles végétales.Les jets EHD sont également utilisés dans les dispositifs d'automatisation et de robotique.

Les capteurs magnétohydrodynamiques sont utilisés pour des mesures précises des vitesses angulaires dans les systèmes de navigation inertielle, par exemple dans l'ingénierie spatiale. La précision s'améliore à mesure que la taille du capteur augmente. Le capteur peut survivre à des conditions difficiles.

Un générateur ou une dynamo MHD convertit la chaleur ou l'énergie cinétique directement en électricité. Les générateurs MHD diffèrent des générateurs électriques traditionnels en ce sens qu'ils peuvent fonctionner à des températures élevées sans pièces mobiles.Le gaz d'échappement d'un générateur plasma MHD est une flamme capable de chauffer les chaudières d'une centrale thermique à vapeur.

Le principe de fonctionnement d'un générateur magnétohydrodynamique est quasiment identique au principe de fonctionnement classique d'un générateur électromécanique. Tout comme avec un EMF conventionnel dans un générateur MHD, il est généré dans un fil qui traverse les lignes de champ magnétique à une certaine vitesse. Cependant, si les fils mobiles des générateurs classiques sont en métal solide dans un générateur MHD, ils représentent un flux de liquide ou de gaz conducteur (plasma).

Maquette de l'unité magnétohydrodynamique U-25, Musée polytechnique d'État (Moscou)

En 1986, la première centrale électrique industrielle avec un générateur MHD a été construite en URSS, mais en 1989, le projet a été annulé avant le lancement de MHD, et cette centrale a ensuite rejoint le Ryazan GRES en tant que 7ème unité de puissance de conception conventionnelle.

La liste des applications pratiques de l'hydrodynamique électromagnétique dans les processus technologiques peut être multipliée. Bien sûr, ces machines et installations de première classe sont nées du haut niveau de développement de la théorie EMHD.

L'écoulement des fluides diélectriques - électrohydrodynamique - est l'un des sujets populaires de diverses revues scientifiques internationales.