磁流體

磁流體作為一種特殊的功能材料,是把納米數量級(10納米左右)的磁性粒子包裹一層長鏈的表面活性劑，均勻的分散在基液中形成的一種均勻穩定的膠體溶液。磁流體由納米磁性顆粒、基液和表面活性劑組成。一般常用的有Fe、Ni、Co等作為磁性顆粒，以水、有機溶劑、油等作為基液，以油酸等作為活性劑防止團聚。由於磁流體具有液體的流動性和固體的磁性，使得磁流體呈現出許多特殊的磁、光、電現象，如法拉第效應、雙折射效應和線二向色性等。這些性質在光調製、光開關、光隔離器和傳感器等領域有着重要的應用前景。

磁流體在磁場的作用下形成豐富的微觀結構，這些微觀結構對光產生不同的影響，能在很大的程度上改變光的透射率和折射率、產生大的法拉第旋轉、磁二向色散性、克爾效應等。磁流體的這種在磁場中的特性可以用在磁光開關、磁光隔離器、磁光調製器、粗波分複用器等。

磁流體力學是結合經典流體力學和電動力學的方法，研究導電流體和磁場相互作用的學科，它包括磁流體靜力學和磁流體動力學兩個分支。

磁流體靜力學研究導電流體在磁場力作用於靜平衡的問題；磁流體動力學研究導電流體與磁場相互作用的動力學或運動規律。磁流體力學通常指磁流體動力學，而磁流體靜力學被看作磁流體動力學的特殊情形。

導電流體有等離子體和液態金屬等。等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動力學行為受電磁力支配。宇宙中的物質幾乎全都是等離子體，但對地球來説，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，但可通過氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對論電子束和激光等方法產生人工等離子體。

能應用磁流體力學處理的等離子體温度範圍頗寬，從磁流體發電的幾千度到受控熱核反應的幾億度量級(還沒有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學同物理學的許多分支以及核能、化學、冶金、航天等技術科學都有聯繫。

1832年法拉第首次提出有關磁流體力學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術差，未達到目的。1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，併成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動力學波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束温度高達一億度量級的等離子體。

然而，磁約束不易穩定，所以研究磁流體力學穩定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩定性判據，這個課題的研究仍很活躍。

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的顆粒，然後用離心法或磁分離法將大顆粒分離出來，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作用下產生Fe3O4或γ-Fe2O3，然後加分散劑和載體，並加以攪拌，使其磁性顆粒吸附其中，最後加熱後將膠體和溶液分開，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，但只使用於非水系載體的磁流體的製作。

（3）熱分解法。是將磁性材料的原料溶入有機溶劑，然後加熱分解出遊離金屬，再在溶液中加入分散劑後分離，溶入載體就得到磁流體。

（4）蒸着法。是在真空條件下把高純度的磁性材料加熱蒸發，蒸發出來的微粒遇到由分散劑和載體組成的地下液膜後凝固，當下地液膜和磁性微粒運動到下地液中，混合均勻就得到磁流體。這種方法得到的磁流體微粒很細，一般在2-10nm的粒子居多。

（5）放電法。其原理與電火花加工相仿，是在裝滿工作液（經常與載體相同）的容器中將磁性材料粗大顆粒放在2個電極之間，然後加上脈衝電壓進行電火花放電腐蝕，在工作液中凝固成微小顆粒，把大顆粒濾去後加分散劑即可得到磁流體。 ^[1] 

研究磁流體問題，首先是建立磁流體力學基本方程組，其次是用這個方程組來解決各種問題。磁流體力學主要用來研究解決的有：

理想導電流體運動對磁場影響的問題；或流體靜止時，流體電阻對磁場影響的問題，其中包括磁凍結和磁擴散。

通過磁場力來考察磁場對靜止導電流體或理想導電流體的約束機制。這個問題是磁流體靜力學的研究範疇，對受控熱核反應十分重要。磁流體靜力學在天體物理中，例如在研究太陽黑子的平衡、日珥的支撐、星際間無作用力場等問題的解決中也很重要。

研究磁場力對導電流體定常運動的影響。方程的非線性使磁流體動力學流動的數學分析複雜化，通常要用近似方法或數值法求解。它們雖然是簡化情況的解，然而清晰地闡明瞭基本的流動規律，利用這些規律至少可以定性地討論更復雜的磁流體動力學流動。

研究磁流體動力學波，包括小擾動波、有限振幅波和激波。瞭解等離子體中波的傳播規律，可以探測等離子體的某些性質。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用。

等離子體的密度範圍很寬。對於極其稀薄的等離子體，粒子間的碰撞和集體效應可以忽略，可採用單粒子軌道理論研究等離子體在磁場中的運動。對於稠密等離子體，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種等離子體在磁場中的運動有兩種方法。一是統計力學方法，即所謂等離子體動力論，它從微觀出發，用統計方法研究等離子體在磁場中的宏觀運動；二是連續介質力學方法即磁流體力學，把等離子體當作連續介質來研究它在磁場中的運動。

磁流體力學是在非導電流體力學的基礎上，研究導電流體中流場和磁場的相互作用。進行這種研究必須對經典流體力學加以修正，以便得到磁流體力學基本方程組。

磁流體力學基本方程組具有非線性且包含方程個數又多，所以求解困難。但在實際問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題的方程組的解。一般應用量綱分析和相似律求得表徵一個物理問題的相似準數，並簡化方程，即可得到有實用價值的解。

磁流體力學相似準數有雷諾數、磁雷諾數、哈特曼數、馬赫數、磁馬赫數、磁力數、相互作用數等。求解簡化後的方程組不外是分析法和數值法。利用計算機技術和計算流體力學方法可以求解較複雜的問題。

磁流體力學的理論很難像普通流體力學理論那樣得到充分的驗證。由於在常温下可供選擇的介質很少，同時需要很強的磁場才能觀察到磁流體力學現象，故不易進行模擬。模擬天體大尺度的磁流體力學問題更不易在實驗室中實現。所以磁流體力學的理論有的可以得到定量驗證，有的只能得到定性或間接的驗證。當前有關磁流體力學的實驗是在各種等離子體發生器和受控熱核反應裝置中進行的。

磁流體力學主要應用於三個方面：天體物理、受控熱核反應和工業。

宇宙中恆星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場，故磁流體力學首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發展和應用。當前，關於太陽的研究課題有：太陽磁場的性質和起源，磁場對日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場存在的可能性，太陽風與地球磁場相互作用產生的弓形激波，新星、超新星的爆發，地球磁場的起源，等等。

磁流體力學在受控核反應方面的應用，有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。對氘、氚混合氣來説，要求温度達到5000萬到1億度，並對粒子密度和約束時間有較高的要求。而使用環形磁約束裝置在受控熱核反應的研究中顯出較好的適用性和優越性。

磁流體力學除了與開發和利用核聚變能有關外，還與磁流體發電密切聯繫。磁流體發電的原理是用等離子體取代發電機轉子，省去轉動部件，這樣可以把普通火力發電站或核電站的效率提高15～20%，甚至更高，既可節省能源，又能減輕污染。

飛行器再入大氣層時，激波、空氣對飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由於磁場裝置過重，這種設想尚未能實現。

此外，電磁流量計、電磁製動、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學在工業應用上所取得的成就。

磁流體發電是一種新型的高效發電方式，其定義為當帶有磁流體的等離子體橫切穿過磁場時，按電磁感應定律，由磁力線切割產生電；在磁流體流經的通道上安裝電極和外部負荷連接時，則可發電。

為了使磁流體具有足夠的電導率，需在高温和高速下，加上鉀、銫等鹼金屬和加入微量鹼金屬的惰性氣體(如氦、氬等)作為工質，以利用非平衡電離原理來提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過磁場的方式叫開環磁流體發電，後者通過換熱器將工質加熱後再穿過磁場的叫閉環磁流體發電。

磁流體發電本身的效率僅20%左右，但由於其排煙温度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續燃燒成蒸汽，驅動汽輪機發電，組成高效的聯合循環發電，總的熱效率可達50%～60%，是正在開發中的高效發電技術中最高的。同樣，它可有效地脱硫，有效地控制NOx的產生，也是一種低污染的煤氣化聯合循環發電技術。

磁流體密封裝置是由不導磁座、軸承、磁極、永久磁鐵、導磁軸、磁流體組成，在磁場的作用下，使磁流體充滿環形空間，建立起一系列“O型密封圈”，從而達到密封的效果。