Tesla
Afledt SI-enhed · størrelse: magnetisk fluxtæthed
01 · Definition
Teslaen er den magnetiske fluxtæthed, hvor en flux på én weber går gennem et areal på én kvadratmeter. Tilsvarende definition gennem kraften: i et felt på én tesla mærker en leder på én meter med én ampere en kraft på én newton.
Enheden blev stor efter hjemlige mål og lille efter astrofysiske. Jordens felt er halvtreds mikrotesla, en skolemagnet giver tiendedele, en neodymskive helt ved overfladen passerer én; derefter begynder teknikken, hvor man tæller i enere og tiere. Det område, hvor størrelsen overhovedet bruges, spænder over treogtyve størrelsesordener: fra femtoteslaen for magnetfeltet i en arbejdende hjerne til hundreder af gigatesla ved overfladen af en magnetar, hvor feltet forvrider atomernes elektronskaller og vakuummet ophører med at være tomt.
Tre viklinger forskudt hundrede og tyve grader og fodret af strømme med samme faseforskydning skaber et felt, der roterer i rummet uden en eneste bevægelig del. Rotoren i en asynkronmotor behøver hverken kommutator eller børster: feltet inducerer strømme i den og trækker den med sig. Patentet fra 1888 blev grundlaget for hele den industrielle vekselstrømsteknik, og den dag i dag forbruges omkring halvdelen af al elektricitet i verden af netop sådanne motorer.
02 · Omregning
Indtast en fluxtæthed — databladet deler den op efter enheder
Gaussen holder sig mere stædigt end nogen anden CGS-enhed: geofysikken, de magnetiske materialer og plasmafysikken bruger den den dag i dag. Én tesla er præcis ti tusind gauss, faktoren er eksakt, derfor er omregningen altid enkel. Gammaen er geofysikernes enhed, lig nanoteslaen: i den måles magnetiske anomalier ved malmeftersøgning.
Teslaen måler fluxtætheden B, amperen per meter feltstyrken H. I vakuum er de proportionale gennem den magnetiske konstant; i jern adskiller de sig tusindfold: stålet forstærker feltet, mens regningen føres i H. Den sammenhæng er ikke lineær, den har en hystereseløkke, derfor gælder rækkerne «A/m» og «oersted» i tabellen kun for vakuum og luft.
| Enhed | Navn | Værdi | Hvor den forekommer |
|---|---|---|---|
| T | tesla, SI-enhed | 1 | dette blads udgangsenhed |
| mT | millitesla | 1000 | en hjemlig størrelse: hundrededele af en tesla |
| µT | mikrotesla | 1000000 | her lever jordmagnetismen |
| nT | nanotesla | 10⁹ | samme gamma, blot i SI |
| fT | femtotesla | 10¹⁵ | den nedre kant af det målelige |
| Wb/m² | weber per m² | 1 | det samme med andre ord: teslaen er weberen per kvadratmeter |
| A/m | feltstyrke H | 795775 | rækken gælder kun for vakuum og luft |
| G | gauss, CGS | 10000 | præcis ti tusind i én tesla — faktoren er eksakt |
| kG | kilogauss | 10 | et bekvemt multiplum til laboratoriefelter |
| γ | gamma | 10⁹ | en hundredtusindedel gauss, det samme som nanoteslaen |
| Oe | oersted | 10000 | talmæssigt lig gaussen i vakuum — deraf forvirringen |
| T | tesla | 1 | dette blads udgangsenhed |
Teslaen er fluxtæthed: gang med arealet, så får du weberen, divider med den magnetiske konstant, så får du feltstyrken i ampere per meter
03 · Størrelsesordener
treogtyve ordener: fra hjernen til magnetarenÉn tesla: luftgabet i en kraftig elmotor
04 · Måleinstrumenter
Hvad man måler magnetisk fluxtæthed med
En strøm i en tynd halvlederplade bøjes af feltet, og på dens sideflader opstår en spænding proportional med fluxtætheden. Billig, lille, arbejder fra nul til titusinder af tesla — derfor sidder den i hver børsteløs motor og i hver hjulhastighedsføler.
Kernen drives i mætning af en vekselstrøm, og man våger over svarets asymmetri: et ydre felt forskyder sløjfen, og i sekundærviklingen dukker en anden harmonisk op. Geofysikkens og rumfartøjernes vigtigste instrument, følsomt ned til pikotesla.
Protoner i en vandprøve præcesserer med en frekvens, der er strengt proportional med feltet: 42,58 megahertz per tesla. Målingen går ud på at måle en frekvens, og frekvens er det, vi kan måle bedst af alt — deraf en nøjagtighed på milliontedele og rollen som referencemetode.
En superledende interferometer tæller kvanter af magnetisk flux og skelner femtotesla — en milliard gange mindre end jordens felt. Den virker kun i en kryostat og inde i et afskærmet rum, men den lader hjernens magnetfelt blive skrevet ned.
05 · Teslaen i arbejde
Hvilket felt der er hvor, og hvad der gør det farligt
Halvtreds mikrotesla er jordens felt; ti gange så meget, en halv millitesla, er den linje, bag hvilken man ikke lukker folk med pacemaker ind i MR-rummet. Den males på gulvet.
Maskinens sædvanlige styrke. I dette felt kan en stålgenstand ikke længere holdes med hånden: tiltrækningen vokser hurtigere, end et menneske når at åbne fingrene.
Vandets diamagnetisme er svag, men i et sådant felt skubbes det udad — så meget, at en dråbe, en græshoppe og en frø hænger i luften.
Derover river det magnetiske tryk viklingen fra hinanden indefra. Længere ude findes kun pulsanlæg, som lever mikrosekunder.
En scanners felt trækker en ferromagnetisk genstand til sig med en kraft, der vokser, jo nærmere den kommer, og derfor er den umulig at holde: den sidste meter tilbagelægger flasken med en bils fart. I 2001 dræbte en sådan flaske i New York en seksårig dreng, der lå i apparatet. Magneten kan ikke slukkes på et øjeblik — den superledende vikling må slukkes ved at fordampe det flydende helium, og genopretningen tager dage.
Vand er svagt diamagnetisk og skubbes i et stærkt uensartet felt udad. I et nederlandsk laboratorium fik man i 1997 vanddråber, en græshoppe og en frø til at svæve i et felt på seksten tesla — frøen tog efter alt at dømme ingen skade. Forsøget gav Andre Geim Ig Nobelprisen i 2000, og ti år senere fik samme forsker Nobelprisen for grafen.
06 · Skriveregler
T stort — det lille t er tonnet
T stort — det lille t er tonnet, og navnet i løbende tekst skrives med lille: tesla. Flertal er uændret: fem tesla, og navnet får intet stort begyndelsesbogstav, skønt det kommer af et efternavn. Et lille t ved siden af er tonnet, en helt anden størrelse.
Størrelsens tegn er et kursivt B, enhedens et opret T; det russiske tegn er Тл. Gaussen hører ikke til SI: normerne forbyder udtrykkeligt at bruge to enheder ved siden af hinanden i ét dokument. Præfikset mikro kræver et græsk my: µT, ikke uT. I lægevidenskaben angives en scanners feltstyrke sædvanligvis helt uden enhed — «halvanden», «tre» — men i dokumentationen skrives den fuldt ud.
07 · Naboenheder
Teslaen er fluxtæthed; ganget med arealet giver den weberen, og divideret med den magnetiske konstant feltstyrken i ampere per meter. Gaussen er samme størrelse i CGS-systemet.
Blandt Simetriums datablade grænser til teslaen weber som flux af samme art, gauss og oersted fra CGS-systemet, henry s amperen fra beregningen af viklinger og hertz, hvori resonansfrekvensen udtrykkes.
08 · Historisk afsnit
Hvad man målte feltet i før teslaen
Nikola Tesla viste, at tre faseforskudte strømme skaber et felt, der roterer uden bevægelige dele. Asynkronmotoren klarede sig uden kommutator og børster og fordrev jævnstrømmen fra industrien.
Edison forsvarede jævnstrømmen og veg ikke tilbage for offentligt at henrette dyr med vekselstrøm for at bevise, hvor farlig den var. Striden blev lukket af Niagara-kraftværket fra 1895: kun vekselstrømmen kunne føre energi over afstand.
I et laboratorium to kilometer over havet trak Tesla kunstige lyn på titusinder af meter og tændte lamper uden tråd. Resonanstransformatoren, der bærer hans navn, gik over i teknikken og lige så meget i folkefantasien.
Den ellevte generalkonference, den samme som godkendte selve navnet «Det Internationale Enhedssystem», gav fluxtætheden Teslas navn. Da havde opfinderen været død i sytten år, og han døde på et hotel i New York, i gæld.
Femogfyrre og en halv tesla er den grænse, der er nået ved Det Nationale Laboratorium for Stærke Magnetfelter: en superledende indsats inde i en resistiv magnet. Pulsanlæg giver op til tusind tesla, men ødelægger derved deres egen vikling på mikrosekunder.
Hos neutronstjerner med det stærkeste magnetfelt når fluxtætheden hundreder af gigatesla. På tusind kilometers afstand ville et sådant felt slette ethvert bankkort, og tæt på trækker det atomernes elektronskaller ud til cigarer.
Feltet, der river sin egen vikling fra hinanden
Magnetfeltets øvre grænse sættes ikke af elektroteknikken, men af materialernes styrke. Det magnetiske tryk vokser som kvadratet på fluxtætheden: ved én tesla er det fire atmosfærer, ved ti fire hundrede, ved halvtreds allerede ti tusind, hvilket overstiger kobberets styrke. Derfor kan permanente magneter stærkere end femogfyrre tesla ikke findes: viklingen ville blive revet fra hinanden indefra. Pulsanlæg omgår forbuddet med tiden — et felt på tusind tesla lever mikrosekunder, for kort til at ødelæggelsen når at udvikle sig, og spolen skal alligevel skiftes efter hvert skud. Teslaen selv måles nøjagtigst gennem frekvensen: en proton præcesserer i feltet med 42,577 megahertz per tesla, og de nationale normaler for fluxtæthed er i bund og grund frekvenstællere med en ampul vand. Protonens gyromagnetiske forhold er i sig selv kendt til elleve cifre, så usikkerheden i en feltmåling sættes ikke af fysikken, men af magnetens ensartethed.
Katalog · måleenheder
Et datablad for hver størrelse
Syv SI-grundenheder, toogtyve afledte med egne navne og de enheder uden for systemet, som hverken teknikken eller hverdagen klarer sig uden. Hver har sit eget blad: definition, omregning, instrumenter, skriveregler. På 18 sprog.
Afledte SI-enheder med eget navn
teslaens datablad er åbentSI-grundenheder
i terrakotta — de tre enheder teslaen bygges afMagnetisk fluxtæthed i andre systemer
Databladets sprog
18 sprog. Tegnet T er internationalt, men vanen med at måle i gauss holder sig ujævnt: i den russiske, japanske og kinesiske litteratur om magnetiske materialer møder man CGS-enhederne den dag i dag.