Tesla
Odvozená jednotka SI · veličina: magnetická indukce
01 · Definice
Tesla je magnetická indukce, při níž tok jednoho weberu prochází plochou jednoho metru čtverečního. Rovnocenná definice přes sílu: v poli jedné tesly působí na vodič dlouhý metr s proudem jednoho ampéru síla jednoho newtonu.
Jednotka vyšla velká na domácí míru a malá na astrofyzikální. Pole Země je padesát mikrotesel, školní magnet dává desetiny, neodymový kotouček přímo u povrchu překračuje jednu; dál začíná technika, kde se počítá na jednotky a desítky. Rozsah, v němž se veličina vůbec používá, zahrnuje dvacet tři řádů: od femtotesly magnetického pole pracujícího mozku po stovky gigatesel u povrchu magnetaru, kde pole deformuje elektronové obaly atomů a vakuum přestává být prázdné.
Tři vinutí posunutá o sto dvacet stupňů a napájená proudy s týmž fázovým posunem vytvářejí pole, které se otáčí v prostoru bez jediné pohyblivé části. Rotor asynchronního motoru nepotřebuje ani komutátor, ani kartáče: pole v něm indukuje proudy a táhne jej s sebou. Patent z roku 1888 se stal základem celé průmyslové elektrotechniky střídavého proudu a dodnes asi polovinu veškeré elektřiny na světě spotřebují právě takové motory.
02 · Převod
Zadejte indukci — list ji rozloží na jednotky
Gauss se drží houževnatěji než kterákoli jiná jednotka CGS: geofyzika, magnetické materiály a fyzika plazmatu jej používají dodnes. Jedna tesla je přesně deset tisíc gaussů, koeficient je přesný, proto je převod vždy jednoduchý. Gama je jednotka geofyziků, rovná nanotesle: v ní se měří magnetické anomálie při hledání rud.
Tesla měří indukci B, ampér na metr intenzitu H. Ve vakuu jsou úměrné přes magnetickou konstantu; v železe se liší tisíckrát: ocel pole zesiluje, zatímco výpočet se vede v H. Tato závislost není lineární, má hysterezní smyčku, proto řádky «A/m» a «oersted» v tabulce platí jen pro vakuum a vzduch.
| Jednotka | Název | Hodnota | Kde se vyskytuje |
|---|---|---|---|
| T | tesla, jednotka SI | 1 | výchozí jednotka tohoto listu |
| mT | militesla | 1000 | domácí veličina: setiny tesly |
| µT | mikrotesla | 1000000 | zde žije zemský magnetismus |
| nT | nanotesla | 10⁹ | táž gama, jen v SI |
| fT | femtotesla | 10¹⁵ | dolní okraj měřitelného |
| Wb/m² | weber na m² | 1 | totéž jinými slovy: tesla je weber na metr čtvereční |
| A/m | intenzita H | 795775 | řádek platí jen pro vakuum a vzduch |
| G | gauss, CGS | 10000 | přesně deset tisíc v tesle — koeficient je přesný |
| kG | kilogauss | 10 | pohodlný násobek pro laboratorní pole |
| γ | gama | 10⁹ | stotisícina gaussu, totéž co nanotesla |
| Oe | oersted | 10000 | číselně roven gaussu ve vakuu — odtud zmatek |
| T | tesla | 1 | výchozí jednotka tohoto listu |
Tesla je hustota toku: vynásobte plochou a dostanete weber, vydělte magnetickou konstantou a dostanete intenzitu v ampérech na metr
03 · Řády veličin
dvacet tři řádů: od mozku k magnetaruJedna tesla: vzduchová mezera výkonného elektromotoru
04 · Měřicí přístroje
Čím se měří magnetická indukce
Proud v tenké polovodičové destičce je polem odkloněn a na jejích bočních stěnách se objeví napětí úměrné indukci. Levná, malá, pracuje od nuly do desítek tesel — proto sedí v každém bezkartáčovém motoru a v každém čidle otáček kola.
Jádro se střídavým proudem uvádí do nasycení a sleduje se asymetrie odezvy: vnější pole posune smyčku a v sekundárním vinutí se objeví druhá harmonická. Hlavní přístroj geofyziky a kosmických lodí, citlivý až do pikotesly.
Protony ve vzorku vody precesují s frekvencí přísně úměrnou poli: 42,58 megahertzu na teslu. Měření se redukuje na měření frekvence, a frekvenci umíme měřit nejlépe ze všeho — odtud přesnost na miliontiny a role srovnávací metody.
Supravodivý interferometr počítá kvanta magnetického toku a rozliší femtoteslu — miliardkrát méně než pole Země. Pracuje jen v kryostatu a v odstíněné místnosti, zato dovoluje zapsat magnetické pole mozku.
05 · Tesla v akci
Kde jaké pole je a čím je nebezpečné
Padesát mikrotesel je pole Země; desetkrát tolik, půl militesly, je čára, za kterou se do místnosti s tomografem nepouštějí lidé s kardiostimulátorem. Maluje se na podlahu.
Obvyklá síla přístroje. V tomto poli ocelový předmět už rukou neudržíte: přitažlivost roste rychleji, než člověk stihne rozevřít prsty.
Diamagnetismus vody je slabý, ale v takovém poli je vytlačována ven — natolik, že kapka, kobylka a žába visí ve vzduchu.
Nad tím magnetický tlak trhá vinutí zevnitř. Dál zbývají jen impulzní zařízení, žijící mikrosekundy.
Pole tomografu vtahuje feromagnetický předmět silou rostoucí s přibližováním, a proto jej nelze udržet: poslední metr urazí lahev rychlostí auta. V roce 2001 v New Yorku taková lahev zabila šestiletého chlapce ležícího v přístroji. Magnet nelze vypnout okamžitě — supravodivé vinutí je nutné zhasit odpařením tekutého helia a obnova trvá dny.
Voda je slabě diamagnetická a v silném nestejnorodém poli je vytlačována ven. V nizozemské laboratoři v roce 1997 v poli šestnácti tesel přiměli levitovat kapky vody, kobylku a žábu — ta podle všeho neutrpěla žádnou újmu. Pokus přinesl Andre Geimovi Ig Nobelovu cenu roku 2000 a o deset let později týž badatel dostal Nobelovu cenu za grafen.
06 · Pravidla zápisu
T velké — malé t je tuna
T velké — malé t je tuna, a název v běžném textu se píše malým: tesla. Skloňuje se jako obyčejné slovo: pět tesel, ačkoli pochází z příjmení. Malé t vedle je tuna, veličina zcela jiná.
Značka veličiny je kurzivní B, jednotky vzpřímené T; ruská značka je Тл. Gauss do SI nepatří: normy výslovně zakazují používat dvě jednotky vedle sebe v jednom dokumentu. Předpona mikro vyžaduje řecké mí: µT, nikoli uT. V medicíně se síla pole tomografu udává obvykle zcela bez jednotky — «jedenapůlka», «trojka» — ale v dokumentaci se píše celá.
07 · Sousední jednotky
Tesla je hustota toku; vynásobená plochou dává weber a vydělená magnetickou konstantou intenzitu v ampérech na metr. Gauss je táž veličina v soustavě CGS.
Z listů Simetria k tesle sousedí weber jako tok téže povahy, gauss a oersted ze soustavy CGS, henry s ampérem z výpočtu vinutí a hertz, ve kterém se vyjadřuje rezonanční frekvence.
08 · Historický oddíl
V čem se pole měřilo před teslou
Nikola Tesla ukázal, že tři fázově posunuté proudy vytvářejí pole, které se otáčí bez pohyblivých částí. Asynchronní motor se obešel bez komutátoru a kartáčů a vytlačil stejnosměrný proud z průmyslu.
Edison hájil stejnosměrný proud a neštítil se veřejně popravovat zvířata střídavým, aby dokázal jeho nebezpečnost. Spor uzavřela Niagarská elektrárna z roku 1895: přenášet energii na dálku uměl jen střídavý proud.
V laboratoři ve dvou kilometrech nad mořem Tesla táhl umělé blesky dlouhé desítky metrů a rozsvěcel lampy bez drátu. Rezonanční transformátor nesoucí jeho jméno přešel do techniky i do lidových vyprávění.
Jedenáctá Generální konference, tatáž, jež schválila samo jméno «Mezinárodní soustava jednotek», dala indukci jméno Teslovo. Vynálezce byl tehdy už sedmnáct let mrtev a zemřel v newyorském hotelu, v dluzích.
Čtyřicet pět a půl tesly je mez dosažená v Národní laboratoři silných magnetických polí: supravodivá vložka uvnitř rezistivního magnetu. Impulzní zařízení dávají až tisíc tesel, ale ničí přitom vlastní vinutí za mikrosekundy.
U neutronových hvězd s nejsilnějším magnetickým polem dosahuje indukce stovek gigatesel. Na vzdálenost tisíce kilometrů by takové pole smazalo jakoukoli platební kartu a zblízka natahuje elektronové obaly atomů do doutníků.
Pole, které trhá vlastní vinutí
Horní mez magnetického pole neurčuje elektrotechnika, nýbrž pevnost materiálů. Magnetický tlak roste jako druhá mocnina indukce: při jedné tesle činí čtyři atmosféry, při deseti čtyři sta, při padesáti už deset tisíc, což překračuje pevnost mědi. Proto permanentní magnety silnější než čtyřicet pět tesel existovat nemohou: vinutí by roztrhlo zevnitř. Impulzní zařízení obcházejí zákaz časem — pole tisíce tesel žije mikrosekundy, příliš krátce, aby se zkáza stačila rozvinout, a cívku je stejně nutné vyměnit po každém výstřelu. Samu teslu měříme nejpřesněji přes frekvenci: proton v poli precesuje s frekvencí 42,577 megahertzu na teslu, a národní etalony indukce jsou v podstatě čítače frekvence s ampulí vody. Samotný gyromagnetický poměr protonu je znám na jedenáct číslic, takže nejistotu měření pole neurčuje fyzika, nýbrž stejnorodost magnetu.
Katalog · měřicí jednotky
List pro každou veličinu
Sedm základních jednotek SI, dvaadvacet odvozených s vlastními názvy a jednotky mimo soustavu, bez nichž se neobejde technika ani běžný život. Každá má svůj list: definice, převod, přístroje, pravidla zápisu. V 18 jazycích.
Odvozené jednotky SI s vlastním názvem
otevřen list teslyZákladní jednotky SI
terakotou — tři jednotky, z nichž se tesla skládáMagnetická indukce v jiných soustavách
Jazyk listu
18 jazyků. Značka T je mezinárodní, ale zvyk měřit v gaussech se drží nerovnoměrně: v ruské, japonské a čínské literatuře o magnetických materiálech se jednotky CGS potkávají dodnes.