Τέσλα
Παράγωγη μονάδα SI · μέγεθος: μαγνητική επαγωγή
01 · Ορισμός
Το τέσλα είναι η μαγνητική επαγωγή στην οποία μια ροή ενός βέμπερ περνά από εμβαδόν ενός τετραγωνικού μέτρου. Ισοδύναμος ορισμός μέσω της δύναμης: σε πεδίο ενός τέσλα ένας αγωγός μήκους ενός μέτρου με ρεύμα ενός αμπέρ δέχεται δύναμη ενός νιούτον.
Η μονάδα βγήκε μεγάλη με οικιακά μέτρα και μικρή με αστροφυσικά. Το πεδίο της Γης είναι πενήντα μικροτέσλα, ένας σχολικός μαγνήτης δίνει δέκατα, ένας δίσκος νεοδυμίου πάνω στην επιφάνειά του ξεπερνά το ένα· παραπέρα αρχίζει η τεχνική, όπου μετρά κανείς σε μονάδες και δεκάδες. Το εύρος στο οποίο το μέγεθος χρησιμοποιείται καθόλου καλύπτει είκοσι τρεις τάξεις μεγέθους: από το φεμτοτέσλα του μαγνητικού πεδίου ενός εγκεφάλου που δουλεύει ως τις εκατοντάδες γιγατέσλα στην επιφάνεια ενός μάγνηταρ, όπου το πεδίο παραμορφώνει τους ηλεκτρονικούς φλοιούς των ατόμων και το κενό παύει να είναι άδειο.
Τρία τυλίγματα μετατοπισμένα κατά εκατόν είκοσι μοίρες και τροφοδοτούμενα από ρεύματα με την ίδια διαφορά φάσης δημιουργούν πεδίο που περιστρέφεται στον χώρο χωρίς ούτε ένα κινούμενο μέρος. Ο δρομέας ενός επαγωγικού κινητήρα δεν χρειάζεται ούτε συλλέκτη ούτε ψήκτρες: το πεδίο επάγει σε αυτόν ρεύματα και τον σέρνει μαζί του. Το δίπλωμα του 1888 έγινε το θεμέλιο όλης της βιομηχανικής ηλεκτροτεχνίας εναλλασσόμενου ρεύματος, και ως σήμερα περίπου το μισό ηλεκτρικό ρεύμα του κόσμου καταναλώνεται ακριβώς από τέτοιους κινητήρες.
02 · Μετατροπή
Δώστε μια επαγωγή — το δελτίο θα την αναλύσει σε μονάδες
Το γκάους κρατιέται πιο πεισματικά από κάθε άλλη μονάδα CGS: η γεωφυσική, τα μαγνητικά υλικά και η φυσική πλάσματος το χρησιμοποιούν ως σήμερα. Ένα τέσλα είναι ακριβώς δέκα χιλιάδες γκάους, ο συντελεστής είναι ακριβής, γι’ αυτό η μετατροπή είναι πάντα απλή. Το γάμμα είναι η μονάδα των γεωφυσικών, ίση με το νανοτέσλα: σε αυτό μετρώνται οι μαγνητικές ανωμαλίες στην αναζήτηση μεταλλεύματος.
Το τέσλα μετρά την επαγωγή B, το αμπέρ ανά μέτρο την ένταση H. Στο κενό είναι ανάλογα μέσω της μαγνητικής σταθεράς· στον σίδηρο διαφέρουν χιλιάδες φορές: ο χάλυβας ενισχύει το πεδίο, ενώ ο υπολογισμός γίνεται σε H. Η εξάρτηση αυτή δεν είναι γραμμική, έχει βρόχο υστέρησης, γι’ αυτό οι γραμμές «A/m» και «έρστεντ» στον πίνακα ισχύουν μόνο για κενό και αέρα.
| Μονάδα | Όνομα | Τιμή | Πού απαντάται |
|---|---|---|---|
| T | τέσλα, μονάδα SI | 1 | η αφετηριακή μονάδα αυτού του δελτίου |
| mT | μιλιτέσλα | 1000 | οικιακό μέγεθος: εκατοστά του τέσλα |
| µT | μικροτέσλα | 1000000 | εδώ ζει ο γήινος μαγνητισμός |
| nT | νανοτέσλα | 10⁹ | το ίδιο γάμμα, μόνο στο SI |
| fT | φεμτοτέσλα | 10¹⁵ | το κάτω άκρο του μετρήσιμου |
| Wb/m² | βέμπερ ανά m² | 1 | το ίδιο με άλλα λόγια: το τέσλα είναι το βέμπερ ανά τετραγωνικό μέτρο |
| A/m | ένταση H | 795775 | η γραμμή ισχύει μόνο για κενό και αέρα |
| G | γκάους, CGS | 10000 | ακριβώς δέκα χιλιάδες σε ένα τέσλα — ο συντελεστής είναι ακριβής |
| kG | κιλογκάους | 10 | ένα βολικό πολλαπλάσιο για εργαστηριακά πεδία |
| γ | γάμμα | 10⁹ | ένα εκατοστοχιλιοστό του γκάους, το ίδιο με το νανοτέσλα |
| Oe | έρστεντ | 10000 | αριθμητικά ίσο με το γκάους στο κενό — από εκεί η σύγχυση |
| T | τέσλα | 1 | η αφετηριακή μονάδα αυτού του δελτίου |
Το τέσλα είναι πυκνότητα ροής: πολλαπλασιάστε με το εμβαδόν και παίρνετε το βέμπερ, διαιρέστε με τη μαγνητική σταθερά και παίρνετε την ένταση σε αμπέρ ανά μέτρο
03 · Τάξεις μεγέθους
είκοσι τρεις τάξεις: από τον εγκέφαλο ως τον μάγνηταρΈνα τέσλα: το διάκενο ενός ισχυρού ηλεκτροκινητήρα
04 · Όργανα μέτρησης
Με τι μετριέται η μαγνητική επαγωγή
Ένα ρεύμα σε λεπτή ημιαγώγιμη πλακέτα εκτρέπεται από το πεδίο, και στις πλάγιες όψεις της εμφανίζεται τάση ανάλογη της επαγωγής. Φτηνός, μικρός, δουλεύει από το μηδέν ως δεκάδες τέσλα — γι’ αυτό κάθεται σε κάθε κινητήρα χωρίς ψήκτρες και σε κάθε αισθητήρα στροφών τροχού.
Ο πυρήνας οδηγείται σε κορεσμό με εναλλασσόμενο ρεύμα και παρακολουθείται η ασυμμετρία της απόκρισης: ένα εξωτερικό πεδίο μετατοπίζει τον βρόχο, και στο δευτερεύον τύλιγμα εμφανίζεται δεύτερη αρμονική. Το κύριο όργανο της γεωφυσικής και των διαστημικών σκαφών, ευαίσθητο ως το πικοτέσλα.
Τα πρωτόνια σε ένα δείγμα νερού μεταπίπτουν με συχνότητα αυστηρά ανάλογη του πεδίου: 42,58 μεγακύκλους ανά τέσλα. Η μέτρηση ανάγεται σε μέτρηση συχνότητας, και τη συχνότητα την ξέρουμε να τη μετράμε καλύτερα απ’ όλα — από εκεί ακρίβεια εκατομμυριοστών και ο ρόλος της μεθόδου αναφοράς.
Ένα υπεραγώγιμο συμβολόμετρο μετράει κβάντα μαγνητικής ροής και ξεχωρίζει το φεμτοτέσλα — ένα δισεκατομμύριο φορές λιγότερο από το πεδίο της Γης. Δουλεύει μόνο σε κρυοστάτη και μέσα σε θωρακισμένο δωμάτιο, επιτρέπει όμως να καταγραφεί το μαγνητικό πεδίο του εγκεφάλου.
05 · Το τέσλα στη δουλειά
Ποιο πεδίο πού βρίσκεται και σε τι είναι επικίνδυνο
Πενήντα μικροτέσλα είναι το πεδίο της Γης· δέκα φορές τόσα, μισό μιλιτέσλα, είναι η γραμμή πέρα από την οποία δεν αφήνουν στην αίθουσα του τομογράφου όσους έχουν βηματοδότη. Τη βάφουν στο πάτωμα.
Η συνηθισμένη ισχύς του μηχανήματος. Σε αυτό το πεδίο ένα ατσάλινο αντικείμενο δεν κρατιέται πια με το χέρι: η έλξη μεγαλώνει γρηγορότερα απ’ όσο προλαβαίνει κανείς να ανοίξει τα δάχτυλα.
Ο διαμαγνητισμός του νερού είναι ασθενής, αλλά σε τέτοιο πεδίο σπρώχνεται προς τα έξω — τόσο ώστε μια σταγόνα, μια ακρίδα και ένας βάτραχος να κρέμονται στον αέρα.
Πιο πάνω η μαγνητική πίεση σκίζει το τύλιγμα από μέσα. Παρακάτω μένουν μόνο οι παλμικές διατάξεις, που ζουν μικροδευτερόλεπτα.
Το πεδίο ενός τομογράφου τραβά ένα σιδηρομαγνητικό αντικείμενο με δύναμη που μεγαλώνει καθώς πλησιάζει, γι’ αυτό είναι αδύνατο να συγκρατηθεί: το τελευταίο μέτρο η φιάλη το διανύει με ταχύτητα αυτοκινήτου. Το 2001 στη Νέα Υόρκη μια τέτοια φιάλη σκότωσε ένα εξάχρονο αγόρι που ήταν ξαπλωμένο στο μηχάνημα. Ο μαγνήτης δεν σβήνει ακαριαία — το υπεραγώγιμο τύλιγμα πρέπει να σβηστεί εξατμίζοντας το υγρό ήλιο, και η αποκατάσταση παίρνει μέρες.
Το νερό είναι ασθενώς διαμαγνητικό και σε ισχυρό ανομοιογενές πεδίο σπρώχνεται προς τα έξω. Σε ολλανδικό εργαστήριο, το 1997, σε πεδίο δεκαέξι τέσλα έκαναν να αιωρηθούν σταγόνες νερού, μια ακρίδα και ένας βάτραχος — ο οποίος, απ’ ό,τι φαίνεται, δεν έπαθε τίποτε. Το πείραμα χάρισε στον Αντρέ Γκάιμ το Ιγκ Νόμπελ του 2000, και δέκα χρόνια αργότερα ο ίδιος ερευνητής πήρε το Νόμπελ για το γραφένιο.
06 · Κανόνες γραφής
T κεφαλαίο — το μικρό t είναι ο τόνος
T κεφαλαίο — το μικρό t είναι ο τόνος, και το όνομα μέσα στο κείμενο γράφεται με μικρό: τέσλα. Ο πληθυντικός μένει αμετάβλητος: πέντε τέσλα, και το όνομα δεν παίρνει κεφαλαίο αν και προέρχεται από επώνυμο. Ένα μικρό t δίπλα είναι ο τόνος, μέγεθος εντελώς άλλο.
Το σύμβολο του μεγέθους είναι πλάγιο B, της μονάδας όρθιο T· το ρωσικό σύμβολο είναι Тл. Το γκάους δεν ανήκει στο SI: τα πρότυπα απαγορεύουν ρητά τη χρήση δύο μονάδων δίπλα-δίπλα στο ίδιο έγγραφο. Το πρόθεμα μικρο- απαιτεί ελληνικό μι: µT, όχι uT. Στην ιατρική η ισχύς του πεδίου ενός τομογράφου δίνεται συνήθως χωρίς μονάδα καθόλου — «ενάμισι», «τρία» — αλλά στα έγγραφα γράφεται ολόκληρη.
07 · Γειτονικές μονάδες
Το τέσλα είναι πυκνότητα ροής· πολλαπλασιασμένο με το εμβαδόν δίνει το βέμπερ, και διαιρεμένο με τη μαγνητική σταθερά την ένταση σε αμπέρ ανά μέτρο. Το γκάους είναι το ίδιο μέγεθος στο σύστημα CGS.
Από τα δελτία του Simetrium γειτονεύουν με το τέσλα βέμπερ ως ροή της ίδιας φύσης, γκάους και έρστεντ από το σύστημα CGS, χένρι s το αμπέρ από τον υπολογισμό τυλιγμάτων και χερτζ, στο οποίο εκφράζεται η συχνότητα συντονισμού.
08 · Ιστορικό μέρος
Σε τι μετρούσαν το πεδίο πριν από το τέσλα
Ο Νίκολα Τέσλα έδειξε ότι τρία ρεύματα με διαφορά φάσης δημιουργούν πεδίο που περιστρέφεται χωρίς κινούμενα μέρη. Ο επαγωγικός κινητήρας τα έβγαλε πέρα χωρίς συλλέκτη και ψήκτρες και έδιωξε το συνεχές ρεύμα από τη βιομηχανία.
Ο Έντισον υπερασπιζόταν το συνεχές ρεύμα και δεν δίσταζε να εκτελεί δημόσια ζώα με εναλλασσόμενο για να αποδείξει πόσο επικίνδυνο ήταν. Τη διαμάχη την έκλεισε το εργοστάσιο του Νιαγάρα του 1895: να μεταφέρει ενέργεια σε απόσταση ήξερε μόνο το εναλλασσόμενο ρεύμα.
Σε ένα εργαστήριο δύο χιλιόμετρα πάνω από τη θάλασσα ο Τέσλα τραβούσε τεχνητούς κεραυνούς δεκάδων μέτρων και άναβε λάμπες χωρίς σύρμα. Ο συντονισμένος μετασχηματιστής που φέρει το όνομά του πέρασε στην τεχνική και εξίσου στη λαϊκή φαντασία.
Η ενδέκατη Γενική Διάσκεψη, η ίδια που ενέκρινε το ίδιο το όνομα «Διεθνές Σύστημα Μονάδων», έδωσε στην επαγωγή το όνομα του Τέσλα. Τότε ο εφευρέτης ήταν ήδη δεκαεπτά χρόνια νεκρός, και πέθανε σε ξενοδοχείο της Νέας Υόρκης, χρεωμένος.
Σαράντα πέντε τέσλα και μισό είναι το όριο που επιτεύχθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Ισχυρών Μαγνητικών Πεδίων: υπεραγώγιμο ένθετο μέσα σε αντιστατικό μαγνήτη. Οι παλμικές διατάξεις δίνουν ως χίλια τέσλα, καταστρέφουν όμως στην πορεία το ίδιο τους το τύλιγμα σε μικροδευτερόλεπτα.
Στους αστέρες νετρονίων με το ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο η επαγωγή φτάνει τις εκατοντάδες γιγατέσλα. Σε απόσταση χιλίων χιλιομέτρων ένα τέτοιο πεδίο θα έσβηνε οποιαδήποτε τραπεζική κάρτα, και από κοντά τεντώνει τους ηλεκτρονικούς φλοιούς των ατόμων σε πούρα.
Το πεδίο που σκίζει το ίδιο του το τύλιγμα
Το ανώτατο όριο του μαγνητικού πεδίου δεν το θέτει η ηλεκτροτεχνία αλλά η αντοχή των υλικών. Η μαγνητική πίεση μεγαλώνει σαν το τετράγωνο της επαγωγής: στο ένα τέσλα είναι τέσσερις ατμόσφαιρες, στα δέκα τετρακόσιες, στα πενήντα ήδη δέκα χιλιάδες, που ξεπερνά την αντοχή του χαλκού. Γι’ αυτό μόνιμοι μαγνήτες ισχυρότεροι από σαράντα πέντε τέσλα δεν μπορούν να υπάρξουν: το τύλιγμα θα σκιζόταν από μέσα. Οι παλμικές διατάξεις παρακάμπτουν την απαγόρευση με τον χρόνο — ένα πεδίο χιλίων τέσλα ζει μικροδευτερόλεπτα, πολύ λίγα για να προλάβει να αναπτυχθεί η καταστροφή, και το πηνίο πρέπει ούτως ή άλλως να αλλαχτεί μετά από κάθε βολή. Το ίδιο το τέσλα μετριέται ακριβέστερα μέσω της συχνότητας: ένα πρωτόνιο μεταπίπτει στο πεδίο με 42,577 μεγακύκλους ανά τέσλα, και τα εθνικά πρότυπα επαγωγής είναι, κατά βάθος, συχνόμετρα με μια αμπούλα νερό. Ο ίδιος ο γυρομαγνητικός λόγος του πρωτονίου είναι γνωστός ως το ενδέκατο ψηφίο, ώστε η αβεβαιότητα μιας μέτρησης πεδίου δεν ορίζεται από τη φυσική αλλά από την ομοιογένεια του μαγνήτη.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα δελτίο για κάθε μέγεθος
Επτά θεμελιώδεις μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και οι μονάδες εκτός συστήματος χωρίς τις οποίες δεν τα βγάζει πέρα ούτε η τεχνική ούτε η καθημερινότητα. Καθεμιά έχει το φύλλο της: ορισμός, μετατροπή, όργανα, κανόνες γραφής. Σε 18 γλώσσες.
Παράγωγες μονάδες SI με δικό τους όνομα
το δελτίο του τέσλα είναι ανοιχτόΘεμελιώδεις μονάδες SI
με χρώμα τερακότας — οι τρεις μονάδες από τις οποίες συντίθεται το τέσλαΗ μαγνητική επαγωγή σε άλλα συστήματα
Γλώσσα του δελτίου
18 γλώσσες. Το σύμβολο T είναι διεθνές, η συνήθεια όμως να μετρούν σε γκάους κρατάει άνισα: στη ρωσική, την ιαπωνική και την κινεζική βιβλιογραφία για τα μαγνητικά υλικά οι μονάδες CGS απαντούν ως σήμερα.