Магнитная гидродинамика

Магнитная гидродинамика — физическая дисциплина, возникшая на пересечении гидродинамики и электродинамики сплошной среды. Предметом её изучения является динамика проводящей жидкости или газа в магнитном поле. Примерами изучаемых сред являются различного рода плазма, жидкие металлы, солёная вода.

Пионером исследований в области теории магнитогидродинамики признан Ханнес Альвен, удостоившийся за свои работы Нобелевской премии в 1970 году. Первой экспериментальной работой в этой области стало исследование Хартманом^[дат.] в 1937 году сопротивления течения ртути в трубке при воздействии поперечного магнитного поля.

Уравнения магнитной гидродинамики

Полная система уравнений нерелятивистской магнитной гидродинамики проводящей жидкости имеет вид:

${\displaystyle {\begin{cases}\displaystyle \rho {\frac {\partial {\vec {v}}}{\partial t}}+\rho ({\vec {v}},\nabla ){\vec {v}}=-\nabla p-{\frac {1}{4\pi }}[{\vec {H}}\operatorname {rot} {\vec {H}}]+\eta \Delta {\vec {v}}+\left({\frac {1}{3}}\eta +\zeta \right)\displaystyle \nabla \operatorname {div} {\vec {v}}\\\displaystyle p=p(\rho )\\\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+\operatorname {div} \rho {\vec {v}}=0\\\displaystyle {\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}=-{\frac {1}{\sigma }}{\frac {c^{2}}{4\pi }}\operatorname {rot} \left[\nabla \times {\vec {H}}\right]+\operatorname {rot} \left[{\vec {v}}\times {\vec {H}}\right]\\\displaystyle \nabla \cdot {\vec {H}}=0\end{cases}}}$

Здесь:

• ${\displaystyle p}$ — давление в среде;
• ${\displaystyle \rho }$ — плотность среды;
• ${\displaystyle \sigma }$ — проводимость среды;
• ${\displaystyle \eta }$ — сдвиговая вязкость среды;
• ${\displaystyle \zeta }$ — объёмная вязкость среды;
• ${\displaystyle {\vec {v}}}$ — поле скоростей;
• ${\displaystyle {\vec {H}}}$ — напряжённость магнитного поля.

Эта система содержит 8 уравнений и позволяет определить 8 неизвестных (${\displaystyle p}$, ${\displaystyle \rho }$, ${\displaystyle {\vec {H}}}$, ${\displaystyle {\vec {v}}}$) при заданных начальных и граничных условиях.

Если воспользоваться следующими приближениями (бездиссипативный предел):

1. ${\displaystyle \sigma \to \infty$ ;}
2. ${\displaystyle \eta =0;}$
3. ${\displaystyle \zeta =0,}$

то система уравнений МГД запишется в более простом виде:

${\displaystyle {\begin{cases}\displaystyle \rho {\frac {\partial {\vec {v}}}{\partial t}}+\rho ({\vec {v}},\nabla ){\vec {v}}=-\nabla p-{\frac {1}{4\pi }}[{\vec {H}}\operatorname {rot} {\vec {H}}]\\\displaystyle p=p(\rho )\\\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+\operatorname {div} \rho {\vec {v}}=0\\\displaystyle {\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}=\operatorname {rot} \left[{\vec {v}}\times {\vec {H}}\right]\\\displaystyle \nabla \cdot {\vec {H}}=0\end{cases}}}$

Вывод уравнений

Вывод уравнений МГД из уравнений Максвелла и гидродинамики

Запишем систему уравнений Максвелла в системе СГС:

${\displaystyle {\begin{cases}\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}\\\displaystyle \nabla \times {\vec {H}}={\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}+{\frac {4\pi }{c}}{\vec {j}}\\\displaystyle \nabla \cdot {\vec {H}}=0\\\displaystyle \nabla \cdot {\vec {E}}=0\end{cases}}}$

Будем исходить из следующих предположений:

1. магнитная проницаемость равна единице: ${\displaystyle \mu =1;}$
2. нет электрических зарядов: ${\displaystyle \rho =0;}$
3. закон Ома имеет вид: ${\displaystyle {\vec {j}}=\sigma {\vec {E}}+{\frac {\sigma }{c}}{\vec {v}}\times {\vec {H}}.}$

Ограничимся нерелятивистским случаем (${\displaystyle v\ll c}$), то есть ${\displaystyle \left|\nabla \times {\vec {H}}\right|\gg \left|{\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}\right|.}$

Обоснование нерелятивистского приближения.

Покажем, что ${\displaystyle v\ll c}$ эквивалентно ${\displaystyle \left|\nabla \times {\vec {H}}\right|\gg \left|{\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}\right|:}$

${\displaystyle \left|\nabla \times \nabla \times {\vec {H}}\right|\gg \left|{\frac {1}{c}}\nabla \times {\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}\right|={\frac {1}{c^{2}}}\left|{\frac {\partial ^{2}{\vec {H}}}{\partial t^{2}}}\right|}$

Оценим это выражение:

${\displaystyle {\frac {H}{L^{2}}}\gg {\frac {1}{c^{2}}}{\frac {H}{\tau ^{2}}},}$

где:

• ${\displaystyle L}$ — характерная длина;
• ${\displaystyle \tau }$ — характерное время.

Это приводит нас к следующем соотношению:

${\displaystyle c^{2}\gg {\frac {L^{2}}{\tau ^{2}}}=v^{2};}$

${\displaystyle v\ll c.}$

То есть характерная скорость в системе должна быть на много меньше скорости света.

Уравнения Максвелла в этом приближении запишутся следующим образом:

${\displaystyle {\begin{cases}\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}\\\displaystyle \nabla \times {\vec {H}}={\frac {4\pi }{c}}{\vec {j}}\\\end{cases}}}$

Выразив из закона Ома ${\displaystyle {\vec {E}}}$ и подставив его в первое уравнение, получим:

${\displaystyle -{\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}=\nabla \times \left({\frac {1}{\sigma }}{\vec {j}}-{\frac {1}{c}}{\vec {v}}\times {\vec {H}}\right).}$

Подставив в это уравнение ток из второго уравнения Максвелла, получим:

${\displaystyle -{\frac {1}{c}}{\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}={\frac {1}{\sigma }}{\frac {c}{4\pi }}\nabla \times \left[\nabla \times {\vec {H}}\right]-{\frac {1}{c}}\nabla \times \left[{\vec {v}}\times {\vec {H}}\right].}$

В пределе идеальной проводящей жидкости ${\displaystyle \sigma \to \infty }$ получаем:

${\displaystyle {\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial t}}=\nabla \times \left[{\vec {v}}\times {\vec {H}}\right].}$

Для связи с гидродинамикой в уравнение Навье — Стокса добавляется член, отвечающий за силу Ампера, действующую на токи со стороны магнитного поля (ток выражается из второго уравнения Максвелла через напряжённость магнитного поля):

${\displaystyle {\vec {f}}={\frac {1}{c}}\left[{\vec {j}}\times {\vec {H}}\right]=-{\frac {1}{4\pi }}\left[{\vec {H}}\times \operatorname {rot} {\vec {H}}\right].}$

Приложения

Принципы магнитной гидродинамики используются для дистанционного контроля и управления поведением жидких металлов в промышленности, в частности:

• в МГД-насосах;
• в МГД-генераторах.

См. также

• Альвеновские волны
• Динамо-эффект
• Электрогидродинамика
• Электровихревое течение
• Электродинамика сплошных сред
• Геофизическая гидродинамика

Литература

• Денисов В. И. «Введение в электродинамику материальных сред: Учебное пособие». — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. — ISBN 5-211-01371-9
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. — Издание 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит, 2003. — 656 с. — («Теоретическая физика», том VIII). — ISBN 5-9221-0123-4.
• Котельников И. А. Лекции по физике плазмы. Том 2: Магнитная гидродинамика. — 3-е изд. — СПб.: Лань, 2021. — 446 с. — ISBN 978-5-8114-6933-8.

Ссылки

• Магнитная гидродинамика в энциклопедии «Кругосвет».
• Сайт журнала Института физики университета Латвии «Magnetohydrodynamics» (бывший журнал «Магнитная гидродинамика»).