Магнітогідродинамічна енергетика (англ. magnetohydrodynamic power) — наука та галузь, частина молекулярної гідроенергетики, яка вивчає магнітогідродинамічні явища в рідинних дисперсних системах та використовує енергетичні перетворення кінетика — електрика під впливом магнітного поля з метою вироблення, накопичення, транспортування та розподілу електричної енергії.У фундаменті магнітогідродинамічної енергетики лежать атомно-молекулярний та іонно-молекулярний принципи побудови речовини. Перший принцип характеризує дискретність або перервність будови речовини, другий принцип розкриває стан електролітичних розчинів та взаємодію йонів з молекулами розчинника. Кінетичні та електричні властивості молекулярних частинок електроліту спричиняють в магнітному полі магнітогідродинамічні явища, які є джерелом електричної енергії.

Ключовими поняттями та об'єктами досліджень магнітогідродинамічної енергетики є магнетизм, магніти, електролітичні розчини, магнітогідродинамічні технології (способи) та магнітогідродинамічні системи (засоби) перетворення потенціальної та кінетичної енергії молекул, атомів, йонів, інших малих частинок речовини в електричну енергію. Як джерела відновлюваної енергії досліджуються, в першу чергу, природні середовища, зокрема, гідросфера й процеси, що в ній протікають, а також сили, які супроводжують ці процеси.

Магнітогідродинамічні технології та системи є малоінерційними прямими способами та засобами виробництва електричного струму, бо в енергетичних перетвореннях не використовуються рухомі масивні елементи — ротори. Робота систем базується на властивостях йонів, інших малих заряджених частинок речовини в рідинних дисперсних системах взаємодіяти між собою та з молекулами оточуючого середовища, змінювати термодинамічні параметри середовища й утворювати електричні поля під впливом зовнішнього магнітного поля. У результаті взаємодії рухомої йонізованої рідини з магнітним полем, відповідно до закону електромагнітної індукції Майкла Фарадея, виникає електричне поле, яке діє перпендикулярно напряму руху заряджених частинок та напряму силового магнітного поля й формує електричний струм у вбудованих поряд електродах-провідниках.

Науково-технологічною базою магнітогідродинамічної енергетики є досягнення молекулярної фізики, фізичної хімії, хімії та фізики поверхні, електродинаміки, квантової теорії речовини та поля, термодинаміки й, звісно ж, магнітогідродинаміки.

Історія У ХІХ ст. отримують розвиток і широко застосовуються в аналізі фізичних та хімічних систем положення термодинаміки, статистичної механіки, динаміки та рівноваги. Досліджується вплив міжмолекулярних сил на фізичні властивості матеріалів, зокрема, на пластичність, деформацію, поверхневий натяг у рідині та електропровідність. Вивчається електрохімія мембран. Витоки магнітогідродинамічної енергетики слід шукати у витоках електрики, магнетизму й, звісно ж, магнітогідродинаміки. Перший МГД-генератор для вимірювання об'ємних витрат рідини був створений у 1832 році Майклом Фарадеєм. Проте, вираз «магнітогідродинаміка» в 1942 році вперше застосував шведський фізик та астроном Ганнес Альфвен, який досліджував наведення електричного струму при взаємодії солоної води та магнітного поля. При розрахунках МГД-систем використовуються взаємозв'язані рівняння гідродинаміки французького інженера Клода-Луї Нав'є та британського математика і фізика Джорджа Габріеля Стокса, які пояснюють рух нестисливої в'язкої рідини, а також рівняння, виведені шотландським фізиком Джеймсом Максвеллом для електромагнітного поля. У своїй основі магнітогідродинаміка спирається на досягнення квантової механіки, молекулярної фізики та електродинаміки, що враховують молекулярну та йонну дискретну природу рідини.

Суттєвий внесок у розуміння магнітних явищ зробили творці квантової теорії. Німецький фізик-теоретик Вернер Гейзенберг застосував принципи квантової механіки до проблем феромагнетизму. Рівняннями британського фізика Поля Дірака були підтверджені магнітні властивості електрона (магнітний момент). Англійський фізик та хімік-теоретик Джон Едвард Леннард-Джонс дослідив парамагнетизм двоатомних молекул, зокрема, кисню і є основоположником методу молекулярних орбіталей. Лундквіст, Суттон та Шерман, Хюгз та Юнг також були в числі теоретиків-першопроходців, чиї фундаментальні дослідження визначили прикладні напрямки розвитку магнітогідродинаміки. Проекти магнітогідродинамічних генераторів на спалюванні органічного палива у свій час інтенсивно досліджувалися в США, СРСР, Індії та Японії. Девід Елліот запропонував використовувати як електропровідне середовище рідкий метал, точніше, суміш металів Na (78 %) та K (22 %). Ним розглядалися також схеми МГД-генераторів з ядерним реактором. На базі ракетних двигунів були створені пульсуючі МГД-генератори для геофізичних досліджень.

Магнітні властивості речовини В основі магнітних явищ в речовині лежать квантові властивості мікрочастинок, які проявляються в електромагнітній взаємодії. Згідно теорії спіну та принципу виключення Паулі, джерелом магнетизму є струм та магнітні моменти спінів в елементарних частинках. Магнітний момент — векторна величина, що характеризує взаємодію тіла з магнітним полем. Магнітний момент вимірюється в А·м2 або Дж/Тл (СІ), або в ерг/Гс (СГС), 1 ерг/Гс = 10−3 Дж/Тл.

Магнітний момент μ [А·м2] в загальному вигляді визначається з виразу для моменту сили τ [Н·м], діючої на частку в магнітному полі, яке має магнітну індукцію B [Тл],

τ = μ × B.  

Магнітний момент атома визначається спіном електронів, рухом електронів довкола  ядра (орбітальний момент) та магнітним моментом атомного ядра. Для окремих елементарних частинок це прояв їх спінового магнітного моменту.

Якщо магнітне поле, створене струмами провідника, внести в ту чи іншу речовину, то воно зміниться. Будь-яка речовина є магнетиком і може намагнічуватись під дією магнітного поля, тобто набувати магнітного моменту. Намагнічена речовина створює магнітне поле індукцією B1 [Тл], яке разом з первинним полем індукцією B0 [Тл] створюють загальне магнітне поле з індукцією B,

B = B1 — B0.  

Магнітне поле не має магнітних зарядів, для поля B справедлива теорема Гауса, тобто лінії магнітної індукції B є неперервними,

∫B·dS = 0.

Згідно гіпотези Ампера, в молекулах речовини циркулюють молекулярні струми. Кожен такий струм володіє магнітним моментом і створює в навколишньому середовищі просторове магнітне поле — магнітний момент μМ [А·м2] електричного струму I  [А] навколо елемента поверхні площею dS [м2].

Магнетизм атомів та молекул зумовлений спіновим магнетизмом електронів, їх орбітальними магнітними моментами та власними й орбітальними моментами нуклонів у ядрах. Загальний магнітний момент атома складається із суми магнітних моментів його електронів та ядра. Магнітні властивості нуклонів ядра приблизно в 1000 разів слабші  за магнітні властивості електронів, тож, їх магнітні моменти мало впливають на намагнічування матеріалу. Магнітні властивості матеріалу в основному визначаються електронами та їх магнітними моментами.

Магнетизм електрона. Однією з найважливіших властивостей електрона є наявність у нього не лише електричного, але й власного магнітного поля. Власне магнітне поле електрона називають квантово-механічним спіном   (англ. spin — обертання). Електрон володіє магнітним дипольним моментом, що витікає із спіну електрона, тож, поводить себе подібно маленькому магніту. Згідно квантової теорії, спін може бути в одному з двох станів: у верхньому (up) або в нижньому (down). Спін електронів є головним джерелом магнетизму.

Електрон створює магнітне поле також за рахунок орбітального руху навколо ядра, який можна вважати круговим мікрострумом.

Магнітні поля, зумовлені спінами електронів та їх орбітальними рухами, визначають широкий спектр магнітних властивостей речовини.

Значна частина електронів у матеріалі розташовані так, що їх орбітальні та внутрішні магнітні моменти один одного скасовують. Певною мірою це можна пояснити поєднанням електронів у пари з протилежними внутрішніми магнітними моментами відповідно до принципу виключення Паулі та утворення заповнених підоболонок з нульовим орбітальним рухом. Непарні електрони чи незаповнені підоболонки атомів, врешті-решт, мають такі розташування, що в сукупності роблять речовину немагнітною. Повний дипольний момент матеріалів з повністю заповненими електронними оболонками дорівнює нулю. Тому магнетизм існує тільки в речовині з частковим заповненням електронних оболонок атомів.

За відсутності зовнішнього магнітного поля молекулярні струми та магнітні моменти окремих молекул в речовині орієнтовані хаотично, тож, сумарний магнітний момент тіла буде дорівнювати нулю, внаслідок чого й результуюче поле дорівнюватиме нулю.

Під дією зовнішнього магнітного поля (В1) магнітні моменти молекул орієнтуються в одному напрямі, й речовина набуває сумарний магнітний момент, відмінний від нуля. Магнітні поля окремих молекулярних струмів вже не компенсують один одного, й виникає власне магнітне поле з вектором магнітної індукції B11. При зміні напряму та/або величини зовнішнього магнітного поля (В2) спостерігається відповідний кутовий дрейф магнітних моментів мікрочастинок, та створюється власне магнітне поле з вектором магнітної індукції B21.

Магнітні властивості матеріалу залежать від його структури, зокрема, від розташування електронів, а також від температури, бо при високій температурі конфігурація електронів руйнується.

Магнітна проникність μ [Гн/м = Н·А–2] – характеристика магнітних властивостей матеріалу, в якому магнітна індукція B [Tл] лінійно залежить від  напруженості магнітного поля Н [A/м].  Взаємозв'язок магнітної індукції з вектором напруженості магнітного поля Н [A/м] здійснюється через магнітну проникність μ [Н·А–2],

B = μ·Н.

У порожнечі магнітна проникність вільного простору має величину μ0 = 4·π·10–7 Н·А–2,

B = μ0·H [Tл].

Фізична величина, що показує, в скільки разів індукція  магнітного поля в речовині B [Tл] відрізняється по модулю від індукції магнітного поля у вакуумі B0 [Tл], називається відносною магнітною проникністю μr (безрозмірна величина),

μr = B/B 0. {\displaystyle \mu _{r}={\frac {\mu }{\mu _{0}}}.}

Відносна магнітна проникність μr є відношенням проникності певного середовища μ до проникності вільного простору (магнітної константи) μ0,

μr = μ/μ0.

Непостійність магнітної проникності приводить до складної нелінійної залежності індукції B магнітного поля у феромагнетику від індукції B0 зовнішнього магнітного поля.

Магнітне поле в речовині має вигляд

B = μ0·(H + M), де M [A/м] — намагніченість (магнітна поляризація), вектор поля, який визначає густину власних чи наведених магнітних моментів в об'ємі речовини.

Для нескінченно малих величин дипольного моменту m [A·м2] та об'єму речовини V [м3] намагніченість записується так

M = dm/dV.  

У інтегральному вигляді магнітна поляризація M [A/м] записується через кінцеві значення дипольного моменту m [A·м2]  та об'єму V [м3],

M = m/V.

Магнітна поляризація M та дипольний момент m можуть бути визначена через залишкову густину магнітного потоку Br (англ. magnetic flux density) [Тл],

M = (1/μ0)·Br;

m = (1/μ0)·Br·V.

У речовині магнітна поляризація M [A/м] є лінійною функцією вектора напруженості магнітного поля H [A/м],

M = χV·H,

де χV — об'ємна магнітна сприйнятливість, безрозмірна величина, яка характеризує здатність речовини намагнічуватись під дією зовнішнього магнітного поля.

Об'ємна магнітна сприйнятливість χV пов'язана з магнітною проникністю μ [Н·А–2],

μ = μ0·(1 + χV), де μ0 [Н·А–2] — магнітна проникність вільного простору, μ0 = 4·π·10−7 Н·А−2.

У дослідженнях магнітних властивостей використовують також поняття питомої магнітної сприйнятливості χsp [м3/кг]. Питома магнітна сприйнятливість є об'ємною магнітною сприйнятливістю одиниці маси тіла,

χsp = χV/ρ ,  

де ρ [кг/м3] — густина тіла.

Загальний зв'язок між параметрами B, H та M

B = μ0·(H + M) = μ0·(1 + χV)·H =  μ0·μr·H = μ·H.