Hidrodinámica electromagnética (EMHD)

Michael Faraday era joven y feliz. Fue solo recientemente que dejó las encuadernaciones y se sumergió en los experimentos físicos y lo extraño que los encontraba.

Se acercaba el nuevo año 1821. La familia esperaba invitados. Una amada esposa horneó un pastel de manzana para la ocasión. El "regalo" principal que Faraday preparó para sí mismo: una taza de mercurio. El líquido plateado se movió de una manera divertida cuando se movió un imán cerca de él. Un imán estacionario no tiene ningún efecto. Los invitados quedaron satisfechos. Parecía que a medida que se acercaba al imán, algo "simplemente" apareció dentro del mercurio. ¿Qué?

Mucho más tarde, en 1838, Faraday describió un movimiento similar de un líquido, pero no mercurio, sino aceite bien purificado, en el que se sumergía el extremo de un alambre de una columna voltaica. Los remolinos arremolinados de las corrientes de aceite eran claramente visibles.

Finalmente, después de otros cinco años, el investigador realizó el famoso experimento del Puente de Waterloo al dejar caer dos cables en el Támesis conectados a un dispositivo sensible. Quería detectar la tensión resultante del movimiento del agua en el campo magnético de la Tierra.El experimento no tuvo éxito porque el efecto esperado fue silenciado por otros que eran de naturaleza puramente química.

Pero más tarde de estos experimentos surgió uno de los campos más interesantes de la física: hidrodinámica electromagnética (EMHD): ciencia de la interacción de un campo electromagnético con un medio líquido-líquido… Combina la electrodinámica clásica (casi toda creada por el brillante seguidor de Faraday, J. Maxwell) y la hidrodinámica de L. Euler y D. Stokes.

El desarrollo de EMHD fue inicialmente lento y durante un siglo después de Faraday no hubo desarrollos particularmente importantes en este campo. No fue hasta mediados de este siglo cuando se completaron principalmente los estudios teóricos. Y pronto comenzó el uso práctico del efecto descubierto por Faraday.

Resultó que cuando un líquido altamente conductivo (sales fundidas, metales líquidos) se mueve en un campo electromagnético, aparece una corriente eléctrica en él (magnetohidrodinámica - MHD). Líquidos poco conductores (petróleo, gas licuado) también «reaccionan» al efecto electromagnético por la aparición de cargas eléctricas (electrohidrodinámica - EHD).

Obviamente, tal interacción también se puede utilizar para controlar el caudal de un medio líquido cambiando los parámetros de campo. Pero los líquidos mencionados son objeto principal de las tecnologías más importantes: metalurgia de metales ferrosos y no ferrosos, fundición, refinación de petróleo.

Resultados prácticos del uso de EMHD en procesos tecnológicos

EMHD está relacionado con problemas de ingeniería como la contención de plasma, el enfriamiento de metales líquidos en reactores nucleares y la fundición electromagnética.

Se sabe que el mercurio es tóxico. Pero hasta hace poco, durante su elaboración, se vertía y trasvasaba a mano.Las bombas MHD ahora usan un campo magnético viajero para bombear mercurio a través de una tubería absolutamente sellada. Se garantiza una producción segura y la más alta pureza del metal, se reducen los costos de mano de obra y energía.

Se han desarrollado y están en uso instalaciones con el uso de EMDG, que lograron eliminar por completo el trabajo manual en el transporte de metal fundido: las bombas e instalaciones magnetodinámicas brindan automatización para el vertido de aluminio y aleaciones no ferrosas. La nueva tecnología incluso cambió la apariencia de las piezas fundidas, haciéndolas brillantes y limpias.

Las plantas EMDG también se utilizan para la fundición de hierro y acero. Se sabe que este proceso es particularmente difícil de mecanizar.

Los granuladores de metal líquido se han introducido en la producción, dando esferas de forma ideal y dimensiones iguales. Estas «bolas» son muy utilizadas en la metalurgia no ferrosa.

Las bombas EHD se desarrollaron y utilizaron para enfriar potentes tubos de rayos X en los que el aceite refrigerante fluye intensamente en un campo eléctrico creado por un alto voltaje en el cátodo del tubo. La tecnología EHD se ha desarrollado para el procesamiento de aceite vegetal. Los jets EHD también se utilizan en dispositivos de automatización y robótica.

Los sensores magnetohidrodinámicos se utilizan para mediciones precisas de velocidades angulares en sistemas de navegación inercial, por ejemplo, en ingeniería espacial. La precisión mejora a medida que aumenta el tamaño del sensor. El sensor puede sobrevivir a condiciones adversas.

Un generador o dínamo MHD convierte el calor o la energía cinética directamente en electricidad. Los generadores MHD se diferencian de los generadores eléctricos tradicionales en que pueden operar a altas temperaturas sin partes móviles.El gas de escape de un generador MHD de plasma es una llama capaz de calentar las calderas de una planta de energía de vapor.

El principio de funcionamiento de un generador magnetohidrodinámico es casi idéntico al principio de funcionamiento convencional de un generador electromecánico. Al igual que con un EMF convencional en un generador MHD, se genera en un cable que cruza las líneas del campo magnético a una velocidad determinada. Sin embargo, si los cables móviles de los generadores convencionales están hechos de metal sólido en un generador MHD, representan un flujo de líquido o gas conductor (plasma).

Maqueta de la unidad magnetohidrodinámica U-25, Museo Politécnico Estatal (Moscú)

En 1986, se construyó la primera central eléctrica industrial con un generador MHD en la URSS, pero en 1989 el proyecto se canceló antes del lanzamiento de MHD, y esta central eléctrica se unió más tarde a Ryazan GRES como la séptima unidad de potencia de diseño convencional.

La lista de aplicaciones prácticas de la hidrodinámica electromagnética en procesos tecnológicos puede multiplicarse. Por supuesto, estas máquinas e instalaciones de primera clase surgieron debido al alto nivel de desarrollo de la teoría EMHD.

El flujo de fluidos dieléctricos (electrohidrodinámica) es uno de los temas populares de varias revistas científicas internacionales.