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磁流體靜力學

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1 磁流體靜力學 -磁流體靜力學

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等離子體。

在靜止狀態下,作用於流體微團Q上的體積力-墷pp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,即墷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:壓強梯度墷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)而把等離子體包起來,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等離子體約束起來,壓強從裡層到外層逐漸下降為零。電流線位於同墷p相垂直的面上,故磁面也是電流面。   

根據磁流體靜平衡而設計的磁約束結構主要有:
  

①線箍縮 在圓柱形放電管中通以強大的軸向電流以壓縮等離子體的磁結構。沿管軸向流動的電流密度J產生角向(環繞圓管的)磁場B。作用在圓柱等離子體中任一點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,但其中等離子體的平衡是不穩定的。   

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,在金屬導體和等離子體柱之間的區域中產生均勻軸向磁場B。由於趨膚效應,磁場不能透入等離子體,故在等離子體表面感應出同放電電流相反的角向電流,因而等離子體柱就在磁場力作用下被箍縮。這時,等離子體表面受到一和壓強p大小相等但方向相反的磁壓B2/2μe作用而維持平衡(μe為磁導率)。   

③環形軸對稱磁約束結構 線箍縮和角箍縮的共同缺點是等離子體中的粒子會從兩端逸出,為此研製出箍縮等離子體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指向等離子體內部。每一層磁面都是等壓面;等離子體環中心壓強最高,壓強從中心到外層逐層降低為零。因此,等離子體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.

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