磁流體靜力學

磁流體靜力學是磁流體力學的一個分支，研究導電流體在磁場力作用下的靜平衡問題。在磁場作用於流體中的電流時，一般會使流體流動；如果磁場力同流體的壓強梯度平衡,則流體保持靜止。研究這種平衡對受控熱核反應有重要意義，可以利用磁場約束溫度達億度量級的電漿。

基本介紹

• 中文名：磁流體靜力學
• 適用領域：力學
• 套用學科：物理
• 所屬範圍：磁流體力學的一個分支
• 研究方向：導電流體在磁場力下的靜平衡問題

簡介

在靜止狀態下，作用於流體微團 Q上的體積力－▽p（p為流體壓強）同磁場B作用於電流密度J上的力密度J×B（見洛倫茲力）是平衡的，即▽p =J×B。在天體問題中有時還須考慮引力的作用。從圖1中可以看出：壓強梯度▽p垂直於電流和磁場；沿磁力線和電流線的壓強不變。若磁力線繞成一個閉合曲面(即磁面)而把電漿包起來，則磁面就是等壓面。在受控熱核反應裝置中，就是利用磁面一層層地把電漿約束起來，壓強從裡層到外層逐漸下降為零。電流線位於同▽p相垂直的面上，故磁面也是電流面。

圖1 磁流體靜平衡示意圖

主要結構

①線箍縮　在圓柱形放電管中通以強大的軸向電流以壓縮電漿的磁結構。沿管軸向流動的電流密度J產生角向（環繞圓管的）磁場B。作用在圓柱電漿中任一點Q的磁場力有兩上分力；一是磁向心力；另一是負磁壓梯度，指向圓心。這兩個分力同負壓強梯度平衡。線箍縮是重要的靜磁結構之一，但其中電漿的平衡是不穩定的。

②角箍縮　又稱θ箍縮，與線箍縮不同的是電流方向和磁場方向互換。在包圍放電管的金屬導體中突然放電，在金屬導體和電漿柱之間的區域中產生均勻軸向磁場B。由於趨膚效應,磁場不能透入電漿，故在電漿表面感應出同放電電流相反的角向電流，因而電漿柱就在磁場力作用下被箍縮。這時,電漿表面受到一和壓強p大小相等但方向相反的磁壓B/2μ₀作用而維持平衡（μ₀為磁導率）。

圖2 線箍縮示意圖

圖3 角箍縮示意圖

③環形軸對稱磁約束結構　線箍縮和角箍縮的共同缺點是電漿中的粒子會從兩端逸出，為此研製出箍縮電漿的環形軸對稱環流器托卡馬克（Tokamak）。這種裝置的每一層磁力線和電流線都各繞成同一個閉合曲面,這些曲面稱為磁面或電流面。磁場力J×B指向電漿內部。每一層磁面都是等壓面；電漿環中心壓強最高，壓強從中心到外層逐層降低為零。因此，電漿環完全可以通過磁場力來箍縮。

參考書目

V.C.A.Ferraro and C. Plumpton, Introduction toMagneto-fluid Mechanics,Oxford,Univ.Press,London,1961.