تسلا
وحدة مشتقة في النظام الدولي · المقدار: كثافة التدفق المغناطيسي
01 · التعريف
التسلا هي كثافة التدفق المغناطيسي التي يمرّ عندها تدفق ويبر واحد عبر مساحة متر مربع واحد. وتعريف مكافئ عبر القوة: في حقل تسلا واحد يشعر ناقل طوله متر يحمل أمبيرًا واحدًا بقوة نيوتن واحد.
جاءت الوحدة كبيرة بالمقاييس المنزلية وصغيرة بمقاييس الفلك. حقل الأرض خمسون ميكرو تسلا، ومغناطيس المدرسة يعطي أعشارًا، وقرص النيوديميوم عند سطحه يتجاوز الواحد؛ وبعد ذلك تبدأ التقنية، حيث يُعدّ بالآحاد والعشرات. أما المدى الذي يُستعمل فيه المقدار أصلًا فيمتد ثلاثة وعشرين رتبة: من فمتو تسلا الحقل المغناطيسي لدماغ يعمل إلى مئات الغيغا تسلا عند سطح مغنتار، حيث يشوّه الحقل أغلفة الإلكترونات في الذرات ويكفّ الفراغ عن أن يكون فارغًا.
ثلاثة ملفات مزاحة مئة وعشرين درجة وتغذيها تيارات بالإزاحة الطورية نفسها تخلق حقلًا يدور في الفضاء بلا قطعة متحركة واحدة. ودوّار المحرك اللاتزامني لا يحتاج مبدّلًا ولا فرشًا: الحقل يستحث فيه تيارات ويجرّه وراءه. وقد صارت براءة 1888 أساس كل هندسة التيار المتردد الصناعية، وإلى اليوم يستهلك نحو نصف كهرباء العالم محركات من هذا النوع بالذات.
02 · التحويل
أدخل كثافة تدفق — وستفكّكها البطاقة إلى وحدات
الغاوس يصمد أعند من أي وحدة أخرى في CGS: الجيوفيزياء والمواد المغناطيسية وفيزياء البلازما تستعمله إلى اليوم. التسلا الواحد عشرة آلاف غاوس بالضبط، والمعامل دقيق، لذا التحويل بسيط دائمًا. والغاما وحدة الجيوفيزيائيين، تساوي النانو تسلا: بها تُقاس الشذوذات المغناطيسية عند البحث عن الخام.
التسلا يقيس كثافة التدفق B، والأمبير لكل متر يقيس الشدة H. في الفراغ يتناسبان عبر الثابت المغناطيسي؛ وفي الحديد يختلفان آلاف المرات: الفولاذ يقوّي الحقل، بينما يُجرى الحساب بـ H. وهذا التعلّق ليس خطيًا، فيه حلقة تخلّف، لذلك سطرا «A/m» و«أورستد» في الجدول لا يصحّان إلا للفراغ والهواء.
| الوحدة | الاسم | القيمة | أين يُصادَف |
|---|---|---|---|
| T | تسلا، وحدة في النظام الدولي | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
| mT | ملّي تسلا | 1000 | مقدار منزلي: أجزاء من مئة من التسلا |
| µT | ميكرو تسلا | 1000000 | هنا تعيش مغناطيسية الأرض |
| nT | نانو تسلا | 10⁹ | الغاما نفسها، لكن في النظام الدولي |
| fT | فمتو تسلا | 10¹⁵ | الحافة الدنيا للمقيس |
| Wb/m² | ويبر لكل m² | 1 | الشيء نفسه بكلمات أخرى: التسلا هو الويبر لكل متر مربع |
| A/m | الشدة H | 795775 | السطر لا يصحّ إلا للفراغ والهواء |
| G | غاوس، CGS | 10000 | عشرة آلاف بالضبط في التسلا — المعامل دقيق |
| kG | كيلوغاوس | 10 | مضاعف مريح لحقول المختبر |
| γ | غاما | 10⁹ | جزء من مئة ألف من الغاوس، أي النانو تسلا نفسه |
| Oe | أورستد | 10000 | يساوي الغاوس عدديًا في الفراغ — ومن هنا اللبس |
| T | تسلا | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
التسلا كثافة تدفق: اضربها في المساحة تحصل على الويبر، واقسمها على الثابت المغناطيسي تحصل على الشدة بالأمبير لكل متر
03 · رتب المقادير
ثلاث وعشرون رتبة: من الدماغ إلى المغنتارتسلا واحد: الفجوة الهوائية لمحرك كهربائي قوي
04 · أجهزة القياس
بمَ تُقاس كثافة التدفق المغناطيسي
التيار في صفيحة شبه موصلة رقيقة ينحرف بالحقل، فيظهر على وجهيها الجانبيين جهد يتناسب مع كثافة التدفق. رخيص وصغير، يعمل من الصفر إلى عشرات التسلا — لذلك يجلس في كل محرك بلا فرش وفي كل حساس دوران عجلة.
يُدفَع القلب إلى الإشباع بتيار متردد ويُراقَب لا تناظر الاستجابة: الحقل الخارجي يزيح الحلقة، فتظهر توافقية ثانية في الملف الثانوي. الجهاز الرئيسي للجيوفيزياء وللمركبات الفضائية، حساس حتى البيكو تسلا.
بروتونات عينة ماء تمور بتردد يتناسب تناسبًا صارمًا مع الحقل: 42.58 ميغاهرتز لكل تسلا. ويُختزل القياس إلى قياس تردد، والتردد هو ما نحسن قياسه أكثر من كل شيء — ومن هنا دقة تبلغ أجزاء من مليون ودور الطريقة المرجعية.
مقياس تداخل فائق التوصيل يعدّ كمّات التدفق المغناطيسي ويميّز الفمتو تسلا — أقل بمليار مرة من حقل الأرض. لا يعمل إلا في مبرّد وداخل غرفة محجوبة، لكنه يتيح تسجيل الحقل المغناطيسي للدماغ.
05 · التسلا في العمل
أي حقل يوجد أين وفيمَ خطره
خمسون ميكرو تسلا هي حقل الأرض؛ وعشرة أضعافها، نصف ملّي تسلا، هو الخط الذي لا يُسمح خلفه لحاملي منظّم ضربات القلب بدخول غرفة الرنين. ويُرسم على الأرض.
القوة المعتادة للجهاز. في هذا الحقل لم يعد يمكن إمساك جسم فولاذي باليد: الجذب ينمو أسرع مما يلحق الإنسان أن يفتح أصابعه.
مغناطيسية الماء المعاكسة ضعيفة، لكنه في حقل كهذا يُدفَع إلى الخارج — إلى حد أن قطرة وجرادة وضفدعًا تبقى معلقة في الهواء.
وفوق ذلك يمزّق الضغط المغناطيسي الملف من داخله. وأبعد من ذلك لا تبقى إلا المنشآت النبضية، التي تعيش ميكرو ثوانٍ.
حقل الجهاز يجذب الجسم الحديدي بقوة تنمو كلما اقترب، ولذلك يستحيل إمساكه: المتر الأخير تقطعه الأسطوانة بسرعة سيارة. وفي 2001 في نيويورك قتلت أسطوانة كهذه صبيًا في السادسة كان مستلقيًا في الجهاز. ولا يمكن إطفاء المغناطيس فورًا — إذ يجب إخماد الملف الفائق التوصيل بتبخير الهليوم السائل، ويستغرق الإصلاح أيامًا.
الماء مغناطيسي معاكس ضعيف، وفي حقل قوي غير متجانس يُدفَع إلى الخارج. في مختبر هولندي سنة 1997 جُعلت قطرات ماء وجرادة وضفدع تطفو في حقل ستة عشر تسلا — ولم يصب الضفدع، فيما يبدو، بأي أذى. وقد نالت التجربة أندريه غايم جائزة إيغ نوبل لعام 2000، وبعد عشر سنوات نال الباحث نفسه نوبل عن الغرافين.
06 · قواعد الكتابة
T كبيرة — الحرف t الصغير هو الطن
T كبيرة — الحرف t الصغير هو الطن، والاسم في النص الجاري يُكتب بحرف صغير: تسلا. الجمع لا يتغير: خمسة تسلا، ولا يأخذ الاسم حرفًا كبيرًا وإن جاء من اسم عائلة. وحرف t صغير بجانبه هو الطن، مقدار آخر تمامًا.
رمز المقدار هو B مائلة، ورمز الوحدة T قائمة؛ والرمز الروسي Тл. الغاوس لا ينتمي إلى النظام الدولي: تمنع المعايير صراحةً استعمال وحدتين جنبًا إلى جنب في وثيقة واحدة. والبادئة ميكرو تتطلب ميو يونانية: µT لا uT. وفي الطب تُذكر قوة حقل الجهاز عادة بلا وحدة إطلاقًا — «واحد ونصف»، «ثلاثة» — أما في الوثائق فتُكتب كاملة.
07 · الوحدات المجاورة
التسلا كثافة تدفق؛ مضروبة في المساحة تعطي الويبر، ومقسومة على الثابت المغناطيسي تعطي الشدة بالأمبير لكل متر. والغاوس هو المقدار نفسه في نظام CGS.
من بطاقات Simetrium يجاور التسلا ويبر بوصفه تدفقًا من الطبيعة نفسها، غاوس و أورستد من نظام CGS، هنري s الأمبير من حساب الملفات و هرتز، وفيه يُعبَّر عن تردد الرنين.
08 · القسم التاريخي
بمَ كان الحقل يُقاس قبل التسلا
أظهر نيكولا تسلا أن ثلاثة تيارات متزحزحة الطور تخلق حقلًا يدور بلا أجزاء متحركة. فاستغنى المحرك اللاتزامني عن المبدّل والفرش وطرد التيار المستمر من الصناعة.
دافع إديسون عن التيار المستمر ولم يتورّع عن إعدام الحيوانات علنًا بالتيار المتردد ليثبت خطره. وأغلقت الخلاف محطة نياغارا سنة 1895: فنقل الطاقة إلى بُعد لم يُحسنه إلا التيار المتردد.
في مختبر على ارتفاع كيلومترين فوق سطح البحر كان تسلا يسحب بروقًا اصطناعية بطول عشرات الأمتار ويشعل المصابيح بلا سلك. والمحوّل الرنيني الذي يحمل اسمه دخل التقنية ودخل الحكايات الشعبية على السواء.
المؤتمر العام الحادي عشر، وهو نفسه الذي أقرّ اسم «النظام الدولي للوحدات»، أعطى كثافة التدفق اسم تسلا. وكان المخترع حينها ميتًا منذ سبعة عشر عامًا، وقد مات في فندق بنيويورك، غارقًا في الديون.
خمسة وأربعون تسلا ونصف هي الحد الذي بُلغ في المختبر الوطني للحقول المغناطيسية القوية: إدخال فائق التوصيل داخل مغناطيس مقاوم. والمنشآت النبضية تعطي حتى ألف تسلا، لكنها تدمّر في أثناء ذلك ملفها في ميكرو ثوانٍ.
عند النجوم النيوترونية ذات أقوى حقل مغناطيسي تبلغ كثافة التدفق مئات الغيغا تسلا. وعلى بعد ألف كيلومتر يمحو حقل كهذا أي بطاقة مصرفية، ومن قرب يمطّ أغلفة الإلكترونات في الذرات كالسيجار.
الحقل الذي يمزّق ملفه
الحد الأعلى للحقل المغناطيسي لا تضعه الهندسة الكهربائية بل متانة المواد. الضغط المغناطيسي ينمو كمربع كثافة التدفق: عند تسلا واحد يبلغ أربعة أجواء، وعند عشرة أربعمئة، وعند خمسين عشرة آلاف، وهذا يتجاوز متانة النحاس. لذلك لا يمكن أن توجد مغانط دائمة أقوى من خمسة وأربعين تسلا: إذ يمزّق الملف من داخله. والمنشآت النبضية تلتف على المنع بالزمن — حقل ألف تسلا يعيش ميكرو ثوانٍ، أقصر من أن يتمكن الدمار من النمو، ومع ذلك يجب تبديل الملف بعد كل طلقة. أما التسلا نفسه فيُقاس بأدق ما يكون عبر التردد: البروتون في الحقل يمور بتردد 42.577 ميغاهرتز لكل تسلا، والمعايير الوطنية لكثافة التدفق هي في جوهرها عدّادات تردد مع أنبوبة ماء. والنسبة الجيرومغناطيسية للبروتون معروفة إلى الرقم الحادي عشر، حتى إن ارتياب قياس الحقل لا تحدّده الفيزياء بل تجانس المغناطيس.
الدليل · وحدات القياس
بطاقة لكل مقدار
سبع وحدات أساسية في النظام الدولي، واثنتان وعشرون وحدة مشتقة لها أسماء خاصة، ووحدات خارج النظام لا تستغني عنها التقنية ولا الحياة اليومية. لكل وحدة ورقتها: التعريف، التحويل، الأجهزة، قواعد الكتابة. بـ 31 لغة.
وحدات دولية مشتقة لها أسماء خاصة
بطاقة التسلا مفتوحةالوحدات الأساسية في النظام الدولي
باللون الطيني — الوحدات الثلاث التي يتركب منها التسلاكثافة التدفق المغناطيسي في أنظمة أخرى
لغة البطاقة
31 لغة. الرمز T عالمي، أما عادة القياس بالغاوس فتصمد على غير سواء: في الأدبيات الروسية واليابانية والصينية عن المواد المغناطيسية ما زالت وحدات CGS تُصادَف إلى اليوم.