[科普中国]-磁流体动力学

半导体磁流体动力学

半导体磁流体动力学模型是一类出现在半导体器件科学中的宏观流体动力学方程组，它是在自相容电磁场的影响下描述电子和离子的，刻画了高频率条件下运转的半导体器件其内部电了的输运过程。模型方程组是由电子的质量和速度的守恒律方程祸合电磁场的Maxwell方程构成的。

目前对半导体磁流体动力学模型已经有非常多的研究。就半导体磁流体动力学模型方程组的类型而言，它是一类可对称化的拟线性双曲型方程组。一般来说，哪怕是在光滑的小初始条件下，拟线性双曲型方程组的经典解仍会在有限时问内破裂而产生激波。1

电磁场方程在磁流体力学中，等离子体可以看作是良导体，电磁场变化的特征时间远远大于粒子碰撞的时间，电磁场可以认为是准静态的，因此麦克斯韦方程组中的位移电流项可以忽略，写为：

由于存在洛伦兹力，欧姆定律的广义形式为：

磁流体动力学的主要研究内容研究磁流体运动性质的科学，又称流体磁学 (hydromagnetics) 或 磁气动力学 ( magnetogas dynamics)。动力学的分支，电动力学和流体动力学的交叉学科。研究对象是与磁场相互作用的流体运动。

磁流体动力学的主要研究内容：①液态金属的运动性质;②电离气体或等离子体流动性的理论研究及应用研究。包括受控热核反应、超声飞行条件的模拟、对外空间推进的离子动力、重返大气层的空间飞 行器的制动、高能粒子加速器、微波发生器、热离子 能量转换装置、薄金属敷层的应用以及宇宙和上层大 气现象的研究等。

磁流体动力学状态方程磁流体力学的基本方程组有16个标量方程，包含16个未知标量，因此是完备的。结合边界条件可以求解这个方程组。在磁流体动力学中，等离子体可以看作是良导体，电磁场变化的特征时间远远大于粒子碰撞的时间，电磁场可以认为是准静态的，因此麦克斯韦方程组中的位移电流项可以忽略，写为：由于存在洛仑兹力，欧姆定律的数学形式为：等离子体是流体，满足流体的连续性方程：流体的运动方程的右边应加上电磁力项，而重力与电磁力相比是小量，常常也可以忽略不计。因此运动方程为：其中能量方程的右边应加上因电磁场引起的焦耳热，重力所做的功可以忽略不计。

流体的状态方程形式为：

p = p(ρ,T)对于绝热过程，有pρ − γ = const 理想磁流体力学方程组对于无粘、绝热、理想导电的等离子体，即理想导电流体，磁流体力学方程可以简化为：pρ − γ = const ，其称为理想磁流体力学方程组，即 pρ − γ = const。

磁流体动力学应用磁流体动力学主要应用于三个方面：天体物理、受控热核反应和工业。

磁流体动力学天体物理宇宙中恒星和星际气体都是等离子体，而且有磁场，故磁流体力学首先在天体物理、太阳物理和地球物理中得到发展和应用。当前，关于太阳的研究课题有：太阳磁场的性质和起源，磁场对日冕、黑子、耀斑的影响。此外还有：星际空间无作用力场存在的可能性，太阳风与地球磁场相互作用产生的弓形激波，新星、超新星的爆发，地球磁场的起源，等等。

磁流体动力学受控热核反应方面受控热核方应方面 这方面的应用有可能使人类从海水中的氘获取巨大能源。受控热核反应的目的就是把轻元素组成的气体加热到足够发生核聚变的高温，并约束它足够的时间，以使核反应产生的能量大于所消耗的能量。对氘、氚混合气来说，要求温度达到5000万到1亿开并要求粒子密度和约束时间的乘积不小于10秒/厘米（劳孙条件）。托卡马克（环形磁约束装置）在受控热核反应研究中显出优越性。美、苏和一些西欧国家各自在托卡马克的研究上取得进展，但只得到单项指标满足劳孙条件的等离子体，没有得到温度、密度和约束时间都满足劳孙条件的等离子体。磁镜、托卡马克和其他磁约束装置的运行范围都受稳定性的限制，即电流或粒子密度越大，稳定性越差，所以必须开展对等离子体中的平衡和大尺度不稳定性预测的磁流体力学研究，以期得到稳定的并充分利用磁场的托卡马克磁约束装置。

磁流体动力学工业方面磁流体力学除了与开发和利用核聚变能有关外，还与磁流体发电密切联系。磁流体发电的原理是用等离子体取代发电机转子，省去转动部件，这样可以把普通火力发电站或核电站的效率提高15〜20%，甚至更高，既可节省能源，又能减轻污染。为了提高磁流体发电装罝的热效率，必须运用磁流体力学来分析发电通道中的流动规律，传热、传质规律和电特性。研究利用煤粉作燃料的磁流体发电对产煤丰富的国家有重要意义，这种研究目前正向工业发电阶段发展。苏联已实现天然气磁流体发电。

用导电流体取代电动机转子的设备，即用磁力驱动导电流体的装置有电磁泵和磁流体力学空间推进器（见电磁推进）。电磁泵已用于核能动力装置中传热回路内液态金属的传输，冶金和铸造工业中熔融金属的自动定量浇注和搅拌，化学工业中汞、钾、钠等有害和危险流体的输送等方面。电磁推进研究用磁场力加速等离子体以期得到比化学火箭大得多的比冲。

飞行器再入大气层时，激波、空气对飞行器的摩擦，使飞行器的表面空气受热而电离成为等离子体，因此利用磁场可以控制对飞行器的传热和阻力。但由于磁场装置过重，这种设想尚未能实现。