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。 磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)力作用于靜平衡的問(wèn)題；磁流體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相互作用的動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)規(guī)律。磁流體力學(xué)通常指磁流體動(dòng)力學(xué)，而磁流體靜力學(xué)被看作磁流體動(dòng)力學(xué)的特殊情形。

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。

磁流體力學(xué)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。

磁流體力學(xué)的內(nèi)容

研究磁流體問(wèn)題，首先是建立磁流體力學(xué)基本方程組，其次是用這個(gè)方程組來(lái)解決各種問(wèn)題。磁流體力學(xué)主要用來(lái)研究解決的有：

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。

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)。

磁流體力學(xué)是在非導(dǎo)電流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)電流體中流場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用。進(jìn)行這種研究必須對(duì)經(jīng)典流體力學(xué)加以修正，以便得到磁流體力學(xué)基本方程組。

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。

磁流體力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)有雷諾數(shù)、磁雷諾數(shù)、哈特曼數(shù)、馬赫數(shù)、磁馬赫數(shù)、磁力數(shù)、相互作用數(shù)等。求解簡(jiǎn)化后的方程組不外是分析法和數(shù)值法。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)方法可以求解較復(fù)雜的問(wèn)題。

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。

磁流體力學(xué)的應(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(kāi)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)。

此外，電磁流量計(jì)、電磁制動(dòng)、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學(xué)在工業(yè)應(yīng)用上所取得的成就。