В один из сентябрьских дней 1966 года на литейном дворе доменного цеха Енакиевского металлургического завода в Донбассе наблюдалось небывалое скопление людей. Все присутствовавшие расположились вдоль канавы, по которой из домны должен был выпускаться чугун. Что же привлекло такое внимание к этому обычному для доменного цеха процессу? Почти 30-метровая канава (желоб) имела наклон, но не как всегда — от домны к месту слива в ковш, а, наоборот, в сторону домны. Но жидкий чугун все же двигался: вверх по желобу! Причина этого «нарушения» закона всемирного тяготения объяснялась довольно просто. Под желобом были установлены ипдукторы — стальные сердечники с обмотками, по которым пропускался переменный электрический ток; образующееся бегущее магнитное пола наводило в струе металла электрический ток. Сила, возникающая в металле от взаимодействия магнитного поля индуктора с полем наведенного электрического тока, не только компенсировала силу тяжести, по и, преодолев ее, заставляла двигаться чугун вверх.
Опыты на Енакиевском металлургическом заводе не преследовали тогда каких-то конкретных производственных целей. То был один из этапов экспериментальной проверки практических возможностей магнитной гидродинамики — науки о движении электропроводящих жидкостей и газов в магнитном поле.
Термин «магнитная гидродинамика» (МГД) ввел в 40-х годах XX века астрофизик X. Альфвен, исследовавший влияние магнитных полей на процессы в космосе и сформулировавший основные положения этой науки (в 1970 году за создание магнитной гидродинамики он был удостоен Нобелевской премии по физике).
Земные опыты по исследованию взаимодействия магнитного поля с электропроводящей жидкостью и даже плазмой ставились еще в начале XIX века. Так, Дэви в 1821 году наблюдал отклонение электрической дуги магнитным полем, а Фарадею принадлежит попытка измерить э.д.с., индуцированную при движении воды в магнитном поле Земли. В 1051 году Волластон сообщил об измерениях напряжения, индуцированного приливным течением в Ла-Манше. Статья В. Ритчи, опубликованная в 1832 году в «Трудах Лондонского королевского общества», называлась: «Движение жидкости под действием электромагнитной силы».
Во второй половине прошлого века исследования поведения электропроводящих жидкостей в электрических и магнитных полях почти не велись. Только начиная примерно с 1900 года появился ряд работ по магнитогидродинамическим устройствам. Интересно отметить, что эта проблема увлекла и выдающихся физиков А. Эйнштейна и Л. Сциларда. В 1931 году им был выдан патент на один из вариантов магнитогидродинамического насоса.
Исследования по магнитной гидродинамике еще долгое время не выходили за стены лабораторий. И лишь в последние два десятилетия исследования по проблеме управляемого термоядерного синтеза и появление новых областей техники стимулировали развитие магнитной гидродинамики, внедрение ее достижений в промышленность. В частности, широкую известность она получила благодаря успехам в создании МГД-генераторов. Но магнитная гидродинамика «умеет» не только генерировать электричество.
В соответствии с законами физики движение проводника в магнитном поле приводит к появлению на его концах э.д.с. Эта закономерность, справедливая не только для твердых проводников, но также для электропроводящих жидкостей и газов, служит основой магнитогидродинамического способа генерирования электрической энергии. Простейший МГД-генератор представляет собой трубу (канал) прямоугольного сечения, установленную между полюсами магнита. В две противоположные стенки трубы вмонтированы электроды. Через трубу пропускается ионизированный газ (плазма) или жидкость, и на электродах возникает разность потенциалов.
Известно, что электрические машины, как правило, обратимы. Следовательно, если заполнить трубу электропроводящей жидкостью и пропустить через нее электрический ток, то его взаимодействие с магнитным полем приведет к возникновению силы, которая будет перемещать жидкость в направлении, определяемом правилом левой руки.
Устройство, работающее на таком принципе и способное перекачивать электропроводящую жидкость, получило название кондукционного электромагнитного насоса.
Принцип взаимодействия электрического тока с магнитным полем лежит в основе всех МГД-насосов. Так как источники магнитного потока могут быть различными, то и насосы могут различаться по конструкции.
Относительно широкое распространение получили индукционные МГД-насосы, работающие по тому же принципу, что и асинхронный двигатель. Напомним, что если к трем его обмоткам подвести трехфазный переменный электрический ток, то вокруг каждой из них возникнет пульсирующее магнитное поле. В случае, когда обмотки находятся на поверхности цилиндра, суммарное поле вращается, увлекая за собой ротор. Если же цилиндр с обмотками развернуть на плоскости (в линию), то поле будет двигаться поступательно — бежать. В любом проводнике, например, пластине, помещенной в зону бегущего поля, наводится электрический ток. Он взаимодействует с породившим его магнитным полем, и в результате пластина приходит в движение. Именно так работают линейные двигатели.
Если в зону бегущего магнитного поля поместить не пластину, а канал с электропроводящей жидкостью, то в ней возникнет давление. По сути дела, имеет место то же явление, что и в кондукционном насосе: проводник с током в магнитном поле приходит в движение, но ток здесь не подводится непосредственно к жидкости, а индуктируется в ней бегущим магнитным полем.
Интересно, что МГД-насосом можно перекачивать и неэлектропроводящую жидкость, если в канале вместе с ней находится и электропроводящая жидкость. В таком устройстве последняя выполняет роль поршня: качает другую жидкость, совершая возвратно-поступательные движения.
Существенным толчком к интенсификации работ по созданию и внедрению электромагнитных насосов послужило развитие атомной энергетики. В реакторах некоторых типов в качестве теплоносителя используются жидкие металлы — натрий, литий, калий. Перекачивать расплавленные металлы традиционными насосами практически невозможно: они слишком быстро выходят из строя, так как их движущиеся рабочие органы не выдерживают высокой температуры и агрессивной среды. Решили воспользоваться старой идеей: перекачивать расплавленные металлы с помощью электромагнитного поля. Главное преимущество такого насоса в том, что у него нет подвижных деталей.
Большую выгоду дает применение МГД-насосов в металлургии и литейном производстве. Например, при разливке жидкого металла оператору достаточно нажать кнопку, чтобы залить в форму нужное количество расплава, после чего насос автоматически отключается.
