ويبر
وحدة مشتقة في النظام الدولي · المقدار: التدفق المغناطيسي
01 · التعريف
الويبر الواحد هو التدفق الذي، إذا زال في ثانية، حثّ في لفة واحدة فولتًا واحدًا. والتعريف عبر التغيّر ليس مصادفة: فالتدفق المغناطيسي بذاته لا يخلق شيئًا، ولا يعمل إلا تغيّره. على هذا تقوم الطاقة كلها — المولّد والمحوّل وموقد الحث. والتدفق هو الحث مضروبًا في المساحة: تسلا لكل متر مربع هو ويبر بالضبط.
ومن هنا الفرق بين الويبر والتسلا، وهو أكثر ما يُخلط. فالتسلا كثافة تدفق، تدفق لكل متر مربع؛ والويبر هو التدفق كله عبر كفاف بأكمله. المغناطيس النيوديمي القوي يعطي عند سطحه أكثر من تسلا واحد، لكن التدفق عبر مقطعه الصغير أجزاء من مئة من الويبر. ولجمع ويبر كامل يلزم إما مساحة كبيرة وإما حقل قوي: حلقة مساحتها متر مربع لا تلتقط في حقل الأرض سوى خمسين ميكروويبر.
حلقتان في حقل منتظم واحد بعينه تريان الحث نفسه بالتسلا، لكن تدفقًا مختلفًا بالويبر: فهو يتناسب مع المساحة. ومن هنا تنبع قاعدة تصميم المولّدات أيضًا: يمكن زيادة القوة المحركة الكهربائية إما بتقوية الحقل، أو بتوسيع الحلقة، أو بزيادة اللفات، أو بالدوران أسرع. الأول يحدّه إشباع الحديد عند نحو تسلاين، والثاني والثالث حجم الملف ومقاومته، ولذلك تصطدم الآلات الصناعية بالرابع وتعمل بسرعات دوران عالية.
02 · التحويل
أدخل تدفقًا — وستفكّكه البطاقة إلى وحدات
الماكسويل وحدة التدفق في نظام CGS، أصغر من الويبر بمئة مليون مرة. وفي الأدبيات القديمة عن الآلات الكهربائية تجري كل الحسابات بالماكسويل والغاوس؛ ولم يقع الانتقال إلى الويبر والتسلا إلا في الستينيات. وكان المهندسون يعدّون خطوط القوة على الرسم عدًّا حرفيًّا: خط واحد، ماكسويل واحد. ومن هنا جاء تعبير «تدفق الخطوط».
في المحوّل يحدّد التدفق الحجم: كلما زادت الفولت-ثواني التي على القلب أن يحتملها، كبر مقطعه. ومن هنا القاعدة التي يعرفها كل مصمّم: محوّل الشبكة عند خمسين هرتزًا ضِعف حجم محوّل بالقدرة نفسها عند مئة هرتز، بينما يكتفي مصدر التبديل عند مئة كيلوهرتز بحلقة فرّيت بحجم الظفر. ولا يمكن تصغير المقطع إلا برفع التردد — وإلا دخل الحديد في الإشباع، وتوقّف التدفق عن النمو مع التيار، واحترق الملف.
| الوحدة | الاسم | القيمة | أين يُصادَف |
|---|---|---|---|
| Wb | ويبر، وحدة النظام الدولي | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
| mWb | ملّي ويبر | 1000 | بادئة العمل في الحسابات المغناطيسية |
| µWb | ميكرو ويبر | 1000000 | تحته تبدأ بلاد السكويد |
| nWb | نانو ويبر | 10⁹ | هنا لا يزال مقياس الويبر يعمل بثقة |
| V·s | فولت-ثانية | 1 | الشيء نفسه بكلمات أخرى: الويبر هو الفولت-ثانية |
| T·m² | تسلا لكل m² | 1 | الكتابة صحيحة، لكن للمقدار منذ 1960 اسم خاص |
| Φ₀ | كم التدفق | 4.836·10¹⁴ | h/2e — قيمة مضبوطة بحسب تعريف 2019 |
| Mx | ماكسويل، CGS | 10⁸ | مئة مليون بالضبط في الويبر |
| kMx | كيلوماكسويل | 100000 | مضاعف مريح لحسابات الآلات |
| G·cm² | غاوس لكل cm² | 10⁸ | الشيء نفسه كالماكسويل: خط على سنتيمتر مربع |
| line | خط قوة | 10⁸ | كان المهندسون يعدّون خطوط الرسم واحدًا واحدًا |
| Wb | ويبر | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
الويبر مركز الثلاثي المغناطيسي: اقسمه على المساحة تحصل على التسلا، واقسمه على التيار على الهنري، واقسمه على الزمن على الفولت
03 · رتب المقادير
من كم التدفق إلى مغناطيس مسرّعويبر واحد: آلة كبيرة، أو مغناطيس قوي ذو مساحة كبيرة
04 · أجهزة القياس
بمَ يُقاس التدفق المغناطيسي
إطار متحرك ذو عزم قصور ذاتي كبير: لا يلحق أن يدور خلال النبضة، ولذلك تتناسب الانحرافة الأولى مع كل الشحنة التي مرّت، وتلك مع تغيّر التدفق. وهو الجهاز الكلاسيكي لمختبرات المغناطيسية، ولم تُزحه المتكاملات الإلكترونية إلا نحو السبعينيات.
متكامل إلكتروني: يجمع جهد ملف القياس عبر الزمن ويعطي الفولت-ثواني فورًا. وبلواه الكبرى انجراف الصفر: فالمتكامل يجمع أيضًا إزاحة المضخّم نفسه، ولذلك يُبدأ القياس بتصفير ويُحصر في ثوانٍ قليلة.
توضع لفات معلومة المساحة في الحقل ثم تُنتزع دفعة واحدة، أو تُدار مئة وثمانين درجة. ونبضة الجهد المتكاملة تعطي كل التدفق الذي كان يمرّ بها — أكثر الطرق مباشرةً لقياس الويبر من تعريف الوحدة نفسه.
حلقة فائقة التوصيل بوصلتَي جوزيفسون: لا يتغيّر التدفق عبرها إلا بحصص مقدارها فمتوويبران وشيء، والجهاز يعدّ هذه الحصص. أحسّ مقياس مغناطيسي موجود — يلتقط الحقل المغناطيسي لدماغ يعمل.
05 · قواعد الكتابة
Wb — حرفان، والثاني صغير
يُكتب الرمز قطعة واحدة، وتقف البادئة أمامه كله: mWb، µWb. وحرف W الكبير وحده إلى جانبه هو الواط، مقدار آخر تمامًا. ويُرمز للتدفق بالحرف اليوناني Φ، ولتغيّره بـ dΦ؛ وفي صيغ الحث تكون إشارة الناقص لازمة، فهي تعبّر عن قاعدة لنتس.
التدفق المتشابك — التدفق مضروبًا في عدد اللفات — يُقاس بالويبر نفسه لكن يُرمز له بـ Ψ. وفي حسابات الملفات لا يجوز الخلط بين Φ وΨ: الفرق يبلغ مئات المرات. والرمز الروسي هو Вб. وكتابة «ويبر لكل متر مربع» صحيحة تقنيًّا وتساوي التسلا، لكن لا ينبغي استعمالها: فمنذ 1960 صار لهذا المقدار اسم خاص.
06 · الوحدات المجاورة
الويبر يربط المغناطيسية بالكهرباء: مقسومًا على المساحة يعطي التسلا، ومقسومًا على التيار الهنري، ومشتقًّا بالنسبة إلى الزمن الفولت.
ويبر لكل متر مربع
التدفق المغناطيسي
ويبر لكل أمبير
من بطاقات Simetrium يجاور الويبر تسلا بوصفه كثافة التدفق نفسه، هنري من تعريف المحاثة، فولت s بثانية، وهو حاصل ضربهما، وكذلك ماكسويل و غاوس — سابقاها في نظام CGS.
07 · القسم التاريخي
بمَ كان التدفق يُقاس قبل الويبر
لفّ فاراداي ملفين على حلقة حديدية ولاحظ أن مؤشر المقياس الجلفاني لا ينتفض إلا في لحظة وصل التيار وفصله. الحقل الثابت لا يعطي شيئًا — ولا يعمل إلا تغيّره.
بنى ويبر مع غاوس أول تلغراف كهرمغناطيسي، وكان أول من ردّ القياسات الكهربائية إلى قياسات ميكانيكية. ووحدة التدفق المغناطيسي تحمل اسمه.
سمّت اللجنة الكهرتقنية الدولية وحدة التدفق العملية ويبرًا، وهي مضاعف للماكسويل بقوة عشرة. وأدخلها المؤتمر العام في النظام مع الفولت والأمبير وسائر الوحدات الكهربائية.
قاس ديفر وفيربانك في ستانفورد، وفي الوقت نفسه دول ونيباور في ميونخ، التدفق في أسطوانة فائقة التوصيل فوجداه مضاعفًا لحصة أساسية. والاثنان في المقام أكّدا أن الشحنة تحملها أزواج إلكترونات.
التدفق لا يُصبّ أجزاءً كيفما اتفق — الطبيعة تكيله حصصًا
التدفق المغناطيسي لا يخضع لقياس مباشر: فأي جهاز لا يستجيب للتدفق نفسه بل لتغيّره. ولذلك يُقطع التدفق فجأة بانتزاع الملف، أو يُقلب الملف، أو يُطفأ التيار في الملف، ثم يُتكامل نبض الجهد الناشئ. والدقة المطلقة لقياس كهذا يحدّها انجراف المتكامل ومعرفة مساحة اللفات، ونادرًا ما تكون أفضل من عُشر في المئة. وقد غيّر تكمّم التدفق الصورة: ففي حلقة فائقة التوصيل لا يمكن للتدفق أن يأخذ إلا قيمًا مضاعفة لـ Φ₀ = h/2e، وهذه الحصة معلومة بالضبط، لأن ثابت بلانك وشحنة الإلكترون محدّدان بأرقام منذ 2019. والسكويد الذي يعدّ هذه الحصص يميّز تغيّرًا في التدفق مقداره جزء من مليون من الكم — حساسية تتيح تسجيل الحقل المغناطيسي للقلب عبر القفص الصدري وللدماغ عبر الجمجمة. أما الكم نفسه فضئيل إلى حد التلاشي: لجمع ويبر واحد يلزم منه نحو خمسمئة تريليون.
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 32 لغة.
وحدات دولية مشتقة لها أسماء خاصة
بطاقة الويبر مفتوحةالوحدات الأساسية في النظام الدولي
باللون الطيني — الوحدات الأربع التي يتركب منها الويبرالتدفق المغناطيسي في أنظمة أخرى
لغة البطاقة
32 لغة. الرمز Wb عالمي، أما عادة القياس بالماكسويل فتصمد على غير سواء: في الأدبيات الروسية واليابانية عن المواد المغناطيسية ما زالت وحدات CGS تُصادَف إلى اليوم.