Idrodinamica elettromagnetica (EMHD)

Michael Faraday era giovane e felice. È stato solo di recente che ha lasciato i rilegatori e si è immerso in esperimenti fisici e quanto li trovava strani.

Il nuovo anno 1821 stava arrivando. La famiglia aspettava ospiti. Una moglie amorevole ha preparato una torta di mele per l'occasione. Il principale "dolcetto" che Faraday si è preparato è una tazza di mercurio. Il liquido argentato si muoveva in modo strano quando un magnete veniva spostato vicino ad esso. Un magnete stazionario non ha alcun effetto. Gli invitati sono rimasti soddisfatti. Sembrava che mentre si avvicinava al magnete, qualcosa "semplicemente" apparisse all'interno del mercurio. Che cosa?

Molto più tardi, nel 1838, Faraday descrisse un movimento simile di un olio liquido, ma non mercurio, ma ben purificato, in cui era immersa l'estremità di un filo proveniente da una colonna voltaica. I vortici vorticosi dei flussi di petrolio erano chiaramente visibili.

Alla fine, dopo altri cinque anni, il ricercatore eseguì il famoso esperimento del Waterloo Bridge facendo cadere nel Tamigi due fili collegati a un dispositivo sensibile. Voleva rilevare la tensione risultante dal movimento dell'acqua nel campo magnetico terrestre.L'esperimento non ha avuto successo perché l'effetto previsto è stato attenuato da altri che erano di natura puramente chimica.

Ma in seguito da questi esperimenti sorse uno dei campi più interessanti della fisica: idrodinamica elettromagnetica (EMHD) — scienza dell'interazione di un campo elettromagnetico con un mezzo liquido-liquido… Combina l'elettrodinamica classica (quasi tutta creata dal geniale seguace di Faraday J. Maxwell) e l'idrodinamica di L. Euler e D. Stokes.

Lo sviluppo dell'EMHD è stato inizialmente lento e per un secolo dopo Faraday non ci sono stati sviluppi particolarmente importanti in questo campo. Fu solo verso la metà di questo secolo che gli studi teorici furono sostanzialmente completati. E presto iniziò l'uso pratico dell'effetto scoperto da Faraday.

Si è scoperto che quando un liquido altamente conduttivo (sali fusi, metalli liquidi) si muove in un campo elettromagnetico, in esso appare una corrente elettrica (magnetoidrodinamica - MHD). Anche i liquidi scarsamente conduttivi (petrolio, gas liquefatto) «reagiscono» all'effetto elettromagnetico con la comparsa di cariche elettriche (elettroidrodinamica - EHD).

Ovviamente tale interazione può essere utilizzata anche per controllare la portata di un mezzo liquido modificando i parametri del campo. Ma i liquidi menzionati sono l'oggetto principale delle tecnologie più importanti: metallurgia dei metalli ferrosi e non ferrosi, fonderia, raffinazione del petrolio.

Risultati pratici dell'utilizzo dell'EMHD nei processi tecnologici

EMHD è correlato a problemi di ingegneria come il contenimento del plasma, il raffreddamento di metalli liquidi nei reattori nucleari e la colata elettromagnetica.

Il mercurio è noto per essere tossico. Ma fino a poco tempo fa, durante la sua produzione, veniva versato e travasato a mano.Le pompe MHD ora utilizzano un campo magnetico mobile per pompare il mercurio attraverso una tubazione assolutamente sigillata. La produzione sicura e la massima purezza del metallo sono garantite, i costi di manodopera ed energia sono ridotti.

Sono state sviluppate e sono in uso installazioni con l'utilizzo di EMDG, che sono riuscite a eliminare completamente il lavoro manuale nel trasporto di metallo fuso: le pompe e le installazioni magnetodinamiche forniscono l'automazione della colata di alluminio e leghe non ferrose. La nuova tecnologia ha cambiato anche l'aspetto delle fusioni, rendendole luminose e pulite.

Gli impianti EMDG sono utilizzati anche per la ghisa e l'acciaio. Questo processo è noto per essere particolarmente difficile da meccanizzare.

Sono stati introdotti nella produzione granulatori a metallo liquido, che danno sfere di forma ideale e di uguali dimensioni. Queste «sfere» sono ampiamente utilizzate nella metallurgia non ferrosa.

Le pompe EHD sono state sviluppate e utilizzate per raffreddare potenti tubi a raggi X in cui l'olio di raffreddamento scorre intensamente in un campo elettrico creato da un'alta tensione al catodo del tubo. La tecnologia EHD è stata sviluppata per la lavorazione dell'olio vegetale e i getti EHD sono utilizzati anche nei dispositivi di automazione e robotica.

I sensori magnetoidrodinamici vengono utilizzati per misurazioni accurate delle velocità angolari nei sistemi di navigazione inerziale, ad esempio nell'ingegneria spaziale. La precisione migliora con l'aumentare delle dimensioni del sensore. Il sensore può sopravvivere a condizioni difficili.

Un generatore MHD o una dinamo converte il calore o l'energia cinetica direttamente in elettricità. I generatori MHD differiscono dai generatori elettrici tradizionali in quanto possono funzionare ad alte temperature senza parti in movimento.Il gas di scarico di un generatore MHD al plasma è una fiamma in grado di riscaldare le caldaie di una centrale a vapore.

Il principio di funzionamento di un generatore magnetoidrodinamico è quasi identico al principio di funzionamento convenzionale di un generatore elettromeccanico. Proprio come con un EMF convenzionale in un generatore MHD, viene generato in un filo che attraversa le linee del campo magnetico a una certa velocità. Tuttavia, se i fili mobili dei generatori convenzionali sono realizzati in metallo solido in un generatore MHD, rappresentano un flusso di liquido o gas conduttivo (plasma).

Modello dell'unità magnetoidrodinamica U-25, Museo Politecnico di Stato (Mosca)

Nel 1986 fu costruita in URSS la prima centrale elettrica industriale con generatore MHD, ma nel 1989 il progetto fu annullato prima del lancio di MHD, e questa centrale elettrica si unì successivamente al Ryazan GRES come settima unità di potenza di progettazione convenzionale.

L'elenco delle applicazioni pratiche dell'idrodinamica elettromagnetica nei processi tecnologici può essere moltiplicato. Naturalmente, queste macchine e installazioni di prima classe sono nate a causa dell'elevato livello di sviluppo della teoria EMHD.

Il flusso di fluidi dielettrici - elettroidrodinamica - è uno degli argomenti popolari di varie riviste scientifiche internazionali.