Tesla
1997 erhob sich im Hochfeldlabor in Nijmegen ein lebender Frosch in die Luft. Niemand hielt ihn fest. Er schwebte in der senkrechten Bohrung eines 16-T-Magneten. Das Wasser im Körper des Frosches wird vom Feld schwach abgestoßen, und bei dieser Stärke überwog die Abstoßung sein Gewicht. Dem Frosch schadete das nicht, und Andre Geim und Michael Berry erhielten für das Experiment den Ig-Nobelpreis.
Das Tesla ist die Einheit der magnetischen Flussdichte. Es gibt an, wie dicht der magnetische Fluss verläuft: Ein Tesla ist ein Weber durch einen Quadratmeter. Das Erdfeld beträgt etwa 50 µT. Ein Kühlschrankmagnet hat einige Millitesla. Ein MRT-Gerät im Krankenhaus hat 1,5 oder 3 T.
| Zeichen | T |
| Definition | Weber je Quadratmeter · Wb/m² · V·s/m² · kg·s⁻²·A⁻¹ |
| Bezugswerte | ein Proton in Wasser präzediert mit 42,576 384 MHz je Tesla · 1 T = 10⁴ G |
| Eingeführt | im SI seit 1960, XI. Generalkonferenz · nach Nikola Tesla benannt |
| Normen | ISO 80000-6 · IEC 60050-121 · IEC 60601-2-33 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische Werte | 50 µT — Erdfeld · 3 T — MRT-Gerät · 16 T — ein Frosch schwebt |
01 · Definition
Ein Weber auf jeden Quadratmeter
Die magnetische Flussdichte B gibt an, wie stark ein Feld eine bewegte Ladung ablenkt. Die Lorentzkraft ist gleich der Ladung mal der Geschwindigkeit mal der Flussdichte. Eine Ladung von einem Coulomb fliege mit 1 m/s quer durch ein Feld von 1 T. Dann wirkt auf sie eine Kraft von 1 N. So lässt sich das Tesla durch die Mechanik ausdrücken.
Dasselbe Tesla ist die Dichte des magnetischen Flusses: ein Weber durch einen Quadratmeter. Deshalb misst man ein Feld auf zwei Arten. Man kann sehen, wie stark es Elektronen in einem Halbleiter ablenkt — so arbeitet ein Hall-Sensor. Man kann messen, wie schnell Protonen darin taumeln — so arbeitet die NMR.
Wie ein Sensor ein Feld bemerkt
Ein Halbleiterplättchen von oben. Ein Strom von 1 mA fließt von links nach rechts, also laufen die Elektronen — magentafarbene Punkte — von rechts nach links. Die blauen Kreise mit Punkt sind ein Feld, das auf den Betrachter zeigt: Je heller, desto stärker. Das Feld lenkt die Elektronen zum oberen Rand ab. Dort sammelt sich Minus, unten Plus. Das Voltmeter rechts misst diesen Unterschied — die Hall-Spannung.
Ein Magnetfeld hat zwei Kenngrößen. Die Flussdichte B in Tesla spürt eine Ladung oder eine Kompassnadel. Die Feldstärke H in Ampere pro Meter erzeugen Ströme. Im Vakuum verbindet sie die Konstante μ₀: Einem Feld von 1 T entsprechen 795 775 A/m. Im Eisen ergibt dieselbe Feldstärke eine tausendfach größere Flussdichte.
Was ein Feld tut, wenn es immer stärker wird
In der Mitte ist ein supraleitender Magnet im Schnitt zu sehen, mit einer senkrechten Bohrung. Die Kreise in der Wicklung sind stromführende Windungen: mit Punkt — Strom auf den Betrachter zu, mit Kreuz — vom Betrachter weg. Die blauen gestrichelten Linien sind Feldlinien. In der Bohrung laufen sie nach oben, außen kehren sie nach unten zurück. Je stärker das Feld, desto mehr und desto heller sind sie. In die Bohrung kann man Ferrofluid, eine Küvette mit Wasser oder einen Tropfen stellen, eine Büroklammer auf den Tisch daneben. Rechts sind drei Instrumente: ein Elektronenstrahl, ein Proton in Wasser und ein Kompass drei Meter vom Magneten entfernt. Links ist das Bedienpult: Feld, Wicklungsstrom, Energie und Vorrat an flüssigem Helium. Die Taste „Quench“ schaltet die Supraleitung der Wicklung ab. Die Zeit in der Szene ist beschleunigt: Ein echter Magnet wird stundenlang hochgefahren.
Stellen Sie Ferrofluid in die Bohrung und erhöhen Sie das Feld.
02 · Umrechnung
| Einheit | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
1 T = 10 000 G. Alte Datenblätter von Magneten geben Gauß an: „3000 G“ sind 0,3 T.
Geophysiker rechnen in Gamma: 1 γ = 1 nT. Ein Magnetsturm verschiebt das Erdfeld um Hunderte Gamma.
Das Oersted ist eine Einheit der Feldstärke H, nicht der Flussdichte. Nur im Vakuum entspricht 1 Oe einem Wert von 1 G.
03 · Größenordnungen
04 · Messgeräte
05 · Schreibregeln
06 · Benachbarte Einheiten
07 · Historischer Teil
Ein starkes Feld misst man am genauesten über eine Frequenz. Protonen in Wasser taumeln wie Kreisel um eine Feldlinie, und die Taumelfrequenz ist streng proportional zur Flussdichte. Für eine Wasserkugel bei 25 °C ist der Faktor auf neun Stellen bekannt: 42,576 384 74 MHz je Tesla. Das Gerät findet die Resonanzfrequenz und teilt sie durch diese Zahl. So kennt man das Feld auf millionstel Teile genau.
Schwache Felder bis zu einem Millitesla erzeugt man mit Helmholtz-Spulen. Das sind zwei gleiche Ringe im Abstand eines Radius voneinander. Zwischen ihnen ist das Feld fast homogen und lässt sich aus Strom, Windungszahl und Radius berechnen. Den Strom misst man an Quantennormalen, die Abmessungen mit dem Lineal. So erhält man ein Referenzfeld, an dem Förstersonden und Hall-Sensoren kalibriert werden.
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Ein Tropfen Säure ändert die Farbe des Safts, Salz färbt die Flamme, Wasser gefriert durch ein Klopfen. Darunter alle Simetrium-Blätter, nach Fachgebieten und alphabetisch.
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