MAGNÉTOHYDRODYNAMIQUE (MHD)

La magnétohydrodynamique (M.H.D.) est une branche de la physique consacrée à l'étude des mouvements des fluides conducteurs de l'électricité en présence de champs magnétiques. Elle s'applique aux métaux liquides (mercure, métaux alcalins fondus), aux gaz faiblement ionisés et aux plasmas.

Lorsqu'un fluide conducteur se déplace dans un champ magnétique, il est le siège d'un champ électrique qui y produit des courants électriques ; ceux-ci modifient le champ magnétique initial ; d'autre part, les forces de Laplace appliquées à la matière le long des lignes de courant modifient le mouvement du fluide. Ainsi apparaît une interaction des effets électromagnétiques et hydrodynamiques qui constitue le domaine d'étude de la M.H.D. L'importance de l'interaction est caractérisée par un nombre sans dimension R_M appelé nombre de Reynolds magnétique ; R_M est proportionnel à la conductivité électrique du fluide, à sa vitesse et aux dimensions de l'écoulement. L'interaction est généralement faible (R_M< 1) dans les métaux liquides et les gaz faiblement ionisés et forte (R_M> 1) dans les plasmas.

Le champ magnétique peut être considéré comme un fluide mélangé au fluide matériel et exerçant sur lui des efforts de « pression magnétique » proportionnels au carré de l'induction magnétique B. Si l'interaction champ-matière est forte, ces deux fluides se déplacent solidairement : le champ magnétique est « gelé » dans la matière. Le milieu peut alors propager des ondes spéciales de basse fréquence appelées ondes magnétohydrodynamiques : les plus simples d'entre elles sont les ondes d'Alfvèn, qui se propagent parallèlement aux lignes de forces magnétiques ; ce sont des ondes transversales qui peuvent être considérées comme des oscillations des tubes de force, ceux-ci se comportant comme des cordes vibrantes chargées par la matière entraînée.

La magnétohydrodynamique intervient dans l'interprétation de nombreux phénomènes naturels : champs magnétiques et vitesses de rotation des étoiles et des planètes ; taches, éruptions et vent solaires ; structure des magnétosphères ; origine des rayons cosmiques, rayonnement des pulsars. L'importance de la M.H.D. dans tous ces événements astrophysiques tient au fait que les dimensions, les vitesses et, souvent, les conductivités des plasmas en jeu sont très élevées de sorte que la matière et le champ magnétique sont fortement couplés.

À l'échelle terrestre, de nombreuses applications techniques de la M.H.D. ont été envisagées, certaines dès le xix^e siècle. Leur développement pratique se heurte à une difficulté importante : les métaux liquides et les gaz ionisés sont, en général, de moins bons conducteurs que le cuivre, de sorte qu'ils ne peuvent se substituer à celui-ci en électrotechnique que dans des cas très spéciaux.

Des développements industriels importants concernent les métaux liquides (pompage électromagnétique du sodium utilisé comme réfrigérant dans certains réacteurs nucléaires ; pompage, brassage et lévitation dans certains traitements métallurgiques). Les applications aux gaz ionisés et aux plasmas ont fait l'objet de recherches : confinement magnétique des plasmas dans les recherches sur la fusion contrôlée, conversion d'énergie (générateurs M.H.D. pour améliorer le rendement des centrales thermiques, moteurs M.H.D. pour la propulsion des fusées, souffleries hypersoniques), aérothermie et propulsion navale.

Magnétohydrodynamique des liquides