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磁流體
一種新型的功能材料
又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動(dòng)性又具有固體磁性材料的磁性。磁流體是由直徑為納米量級(jí)（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。該流體在靜態(tài)時(shí)無(wú)磁性吸引力，當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，其才表現(xiàn)出磁性。因此，它在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用，在理論上具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值。用納米金屬及合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領(lǐng)域。
基本信息
| 中文名 | 磁流體 |
| 別名 | 磁性液體 鐵磁流體 磁液 |
| 類別 | 電磁 |
| 分類 | 材料 |
| 詞性 | 名詞 |
基本介紹
玻璃瓶里的磁流體
磁流體在磁場(chǎng)的作用下形成豐富的微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光產(chǎn)生不同的影響，能在很大的程度上改變光的透射率和折射率、產(chǎn)生大的法拉第旋轉(zhuǎn)、磁二向色散性、克爾效應(yīng)等。磁流體的這種在磁場(chǎng)中的特性可以用在磁光開關(guān)、磁光隔離器、磁光調(diào)制器、粗波分復(fù)用器等。
磁流體力學(xué)是結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的方法，研究導(dǎo)電流體和磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科，它包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)分支。
磁流體粘度變化曲線
導(dǎo)電流體有等離子體和液態(tài)金屬等。等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動(dòng)力學(xué)行為受電磁力支配。宇宙中的物質(zhì)幾乎全都是等離子體，但對(duì)地球來(lái)說(shuō)，除大氣上層的電離層和輻射帶是等離子體外，地球表面附近(除閃電和極光外)一般不存在自然等離子體，但可通過(guò)氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對(duì)論電子束和激光等方法產(chǎn)生人工等離子體。
能應(yīng)用磁流體力學(xué)處理的等離子體溫度范圍頗寬，從磁流體發(fā)電的幾千度到受控?zé)岷朔磻?yīng)的幾億度量級(jí)(還沒(méi)有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學(xué)同物理學(xué)的許多分支以及核能、化學(xué)、冶金、航天等技術(shù)科學(xué)都有聯(lián)系。
發(fā)展簡(jiǎn)史
1832年法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問(wèn)題。他根據(jù)海水切割地球磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的想法，測(cè)量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測(cè)出流速，但因河水電阻大、地球磁場(chǎng)弱和測(cè)量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對(duì)水銀在磁場(chǎng)中的流動(dòng)進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)，并成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學(xué)流動(dòng)(即哈特曼流動(dòng))的理論計(jì)算方法。
1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道的“引導(dǎo)中心”理論、磁凍結(jié)定理、磁流體動(dòng)力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽(yáng)黑子理論，1949年他在《宇宙動(dòng)力學(xué)》一書中集中討論了他的主要工作，推動(dòng)了磁流體力學(xué)的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場(chǎng)來(lái)保存等離子體的所謂磁約束問(wèn)題，即磁流體靜力學(xué)問(wèn)題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個(gè)原理來(lái)約束溫度高達(dá)一億度量級(jí)的等離子體。
然而，磁約束不易穩(wěn)定，所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問(wèn)題。1951年，倫德奎斯特給出一個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，這個(gè)課題的研究至今仍很活躍。
制備方法
磁流體制備方法主要有研磨法，解膠法，熱分解法，放電法等。
（1）碾磨法。即把磁性材料和活性劑、載液一起碾磨成極細(xì)的顆粒，然后用離心法或磁分離法將大顆粒分離出來(lái)，從而得到所需的磁流體。這種方法是最直接的方法，但很難得到300nm以下直徑的磁流體顆粒。
（2）解膠法。是鐵鹽或亞鐵鹽在化學(xué)作用下產(chǎn)生
或
，然后加分散劑和載體，并加以攪拌，使其磁性顆粒吸附其中，最后加熱后將膠體和溶液分開，得到磁流體。這種方法可得到較小顆粒的磁流體，且成本不高，但只適用于非水系載體的磁流體的制作。
（3）熱分解法。是將磁性材料的原料溶入有機(jī)溶劑，然后加熱分解出游離金屬，再在溶液中加入分散劑后分離，溶入載體就得到磁流體。
（4）蒸著法。是在真空條件下把高純度的磁性材料加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出來(lái)的微粒遇到由分散劑和載體組成的地下液膜后凝固，當(dāng)下地液膜和磁性微粒運(yùn)動(dòng)到下地液中，混合均勻就得到磁流體。這種方法得到的磁流體微粒很細(xì)，一般在2-10nm的粒子居多。
研究?jī)?nèi)容
磁流體
理想導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)影響的問(wèn)題；或流體靜止時(shí)，流體電阻對(duì)磁場(chǎng)影響的問(wèn)題，其中包括磁凍結(jié)和磁擴(kuò)散。
通過(guò)磁場(chǎng)力來(lái)考察磁場(chǎng)對(duì)靜止導(dǎo)電流體或理想導(dǎo)電流體的約束機(jī)制。這個(gè)問(wèn)題是磁流體靜力學(xué)的研究范疇，對(duì)受控?zé)岷朔磻?yīng)十分重要。磁流體靜力學(xué)在天體物理中，例如在研究太陽(yáng)黑子的平衡、日珥的支撐、星際間無(wú)作用力場(chǎng)等問(wèn)題的解決中也很重要。
研究磁場(chǎng)力對(duì)導(dǎo)電流體定常運(yùn)動(dòng)的影響。方程的非線性使磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)的數(shù)學(xué)分析復(fù)雜化，通常要用近似方法或數(shù)值法求解。它們雖然是簡(jiǎn)化情況的解，然而清晰地闡明了基本的流動(dòng)規(guī)律，利用這些規(guī)律至少可以定性地討論更復(fù)雜的磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)。
研究磁流體動(dòng)力學(xué)波，包括小擾動(dòng)波、有限振幅波和激波。了解等離子體中波的傳播規(guī)律，可以探測(cè)等離子體的某些性質(zhì)。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應(yīng)用。
研究方法
等離子體的密度范圍很寬。對(duì)于極其稀薄的等離子體，粒子間的碰撞和集體效應(yīng)可以忽略，可采用單粒子軌道理論研究等離子體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于稠密等離子體，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種等離子體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)有兩種方法。一是統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法，即所謂等離子體動(dòng)力論，它從微觀出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)方法研究等離子體在磁場(chǎng)中的宏觀運(yùn)動(dòng)；二是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法即磁流體力學(xué)，把等離子體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)來(lái)研究它在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。
磁流體密封 2
磁流體力學(xué)基本方程組具有非線性且包含方程個(gè)數(shù)又多，所以求解困難。但在實(shí)際問(wèn)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(wèn)題的方程組的解。一般應(yīng)用量綱分析和相似律求得表征一個(gè)物理問(wèn)題的相似準(zhǔn)數(shù)，并簡(jiǎn)化方程，即可得到有實(shí)用價(jià)值的解。
研究困境
磁流體力學(xué)的理論很難像普通流體力學(xué)理論那樣得到充分的驗(yàn)證。由于在常溫下可供選擇的介質(zhì)很少，同時(shí)需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)才能觀察到磁流體力學(xué)現(xiàn)象，故不易進(jìn)行模擬。模擬天體大尺度的磁流體力學(xué)問(wèn)題更不易在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。所以磁流體力學(xué)的理論有的可以得到定量驗(yàn)證，有的只能得到定性或間接的驗(yàn)證。當(dāng)前有關(guān)磁流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)是在各種等離子體發(fā)生器和受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中進(jìn)行的。
實(shí)際應(yīng)用
磁流體力學(xué)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：天體物理、受控?zé)岷朔磻?yīng)和工業(yè)。
宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場(chǎng)，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽(yáng)物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽(yáng)的研究課題有：太陽(yáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)和起源，磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無(wú)作用力場(chǎng)存在的可能性，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場(chǎng)的起源，等等。
磁流體力學(xué)在受控核反應(yīng)方面的應(yīng)用，有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。對(duì)氘、氚混合氣來(lái)說(shuō)，要求溫度達(dá)到5000萬(wàn)到1億度，并對(duì)粒子密度和約束時(shí)間有較高的要求。而使用環(huán)形磁約束裝置在受控?zé)岷朔磻?yīng)的研究中顯出較好的適用性和優(yōu)越性。
磁流體力學(xué)除了與開發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15～20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。
飛行器再入大氣層時(shí)，激波、空氣對(duì)飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場(chǎng)可以控制對(duì)飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場(chǎng)裝置過(guò)重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。
發(fā)電
磁流體發(fā)電是一種新型的高效發(fā)電方式，其定義為當(dāng)帶有磁流體的等離子體橫切穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，按電磁感應(yīng)定律，由磁力線切割產(chǎn)生電；在磁流體流經(jīng)的通道上安裝電極和外部負(fù)荷連接時(shí)，則可發(fā)電。
為了使磁流體具有足夠的電導(dǎo)率，需在高溫和高速下，加上鉀、銫等堿金屬和加入微量堿金屬的惰性氣體(如氦、氬等)作為工質(zhì)，以利用非平衡電離原理來(lái)提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過(guò)磁場(chǎng)的方式叫開環(huán)磁流體發(fā)電，后者通過(guò)換熱器將工質(zhì)加熱后再穿過(guò)磁場(chǎng)的叫閉環(huán)磁流體發(fā)電。
磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續(xù)燃燒成蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，總的熱效率可達(dá)
，是目前正在開發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制
的產(chǎn)生，也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。
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