تسلا
یکای فرعی SI · کمیت: چگالی شار مغناطیسی
01 · تعریف
تسلا همان چگالی شار مغناطیسی است که در آن شاری برابر یک وبر از مساحتی برابر یک متر مربع میگذرد. تعریف همارز از راه نیرو: در میدان یک تسلا رسانایی به درازای یک متر با جریان یک آمپر نیرویی برابر یک نیوتون احساس میکند.
یکا به معیار خانگی بزرگ درآمد و به معیار اخترفیزیکی کوچک. میدان زمین پنجاه میکروتسلاست، آهنربای مدرسه دهمها میدهد، قرص نئودیمی بر سطح خود از یک میگذرد؛ پس از آن فن آغاز میشود، جایی که با یکان و دهگان میشمارند. گسترهای که کمیت اصلاً در آن به کار میرود بیست و سه مرتبه را دربر میگیرد: از فمتوتسلای میدان مغناطیسی مغزی که کار میکند تا صدها گیگاتسلا در سطح مگنتار، جایی که میدان لایههای الکترونی اتمها را کج میکند و خلأ از تهی بودن بازمیایستد.
سه سیمپیچ که صد و بیست درجه جابهجا شدهاند و با جریانهایی با همان اختلاف فاز تغذیه میشوند، میدانی میآفرینند که در فضا بی یک قطعهٔ متحرک میچرخد. روتور موتور القایی نه به کلکتور نیاز دارد نه به جاروبک: میدان در آن جریان القا میکند و آن را با خود میکشد. اختراع ۱۸۸۸ پایهٔ همهٔ مهندسی برق صنعتی جریان متناوب شد، و تا امروز نزدیک نیمی از همهٔ برق جهان را همین موتورها مصرف میکنند.
02 · تبدیل
چگالی شاری وارد کنید — شناسنامه آن را به یکاها میشکافد
گاوس سرسختانهتر از هر یکای دیگر CGS پایدار مانده است: ژئوفیزیک، مواد مغناطیسی و فیزیک پلاسما تا امروز از آن بهره میبرند. یک تسلا دقیقاً ده هزار گاوس است، ضریب دقیق است، از اینرو تبدیل همیشه ساده است. گاما یکای ژئوفیزیکدانان است، برابر نانوتسلا: با آن ناهنجاریهای مغناطیسی را هنگام جستوجوی سنگ معدن میسنجند.
تسلا چگالی شار B را میسنجد، آمپر بر متر شدت H را. در خلأ از راه ثابت مغناطیسی متناسباند؛ در آهن هزاران بار تفاوت دارند: فولاد میدان را تقویت میکند، حال آنکه محاسبه با H پیش میرود. این وابستگی خطی نیست، حلقهٔ پسماند دارد، از اینرو سطرهای «A/m» و «اورستد» در جدول تنها برای خلأ و هوا معتبرند.
| یکا | نام | مقدار | کجا دیده میشود |
|---|---|---|---|
| T | تسلا، یکای SI | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
| mT | میلیتسلا | 1000 | کمیتی خانگی: صدمهای تسلا |
| µT | میکروتسلا | 1000000 | اینجا مغناطیس زمین زندگی میکند |
| nT | نانوتسلا | 10⁹ | همان گاما، فقط در SI |
| fT | فمتوتسلا | 10¹⁵ | لبهٔ پایینی سنجیدنی |
| Wb/m² | وبر بر m² | 1 | همان چیز به بیان دیگر: تسلا همان وبر بر متر مربع است |
| A/m | شدت H | 795775 | سطر تنها برای خلأ و هوا معتبر است |
| G | گاوس، CGS | 10000 | دقیقاً ده هزار در یک تسلا — ضریب دقیق است |
| kG | کیلوگاوس | 10 | مضربی آسان برای میدانهای آزمایشگاهی |
| γ | گاما | 10⁹ | یک صدهزارم گاوس، همان نانوتسلا |
| Oe | اورستد | 10000 | در خلأ عددی برابر گاوس — از همینجا سردرگمی |
| T | تسلا | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
تسلا چگالی شار است: در مساحت ضرب کنید تا وبر به دست آید، بر ثابت مغناطیسی تقسیم کنید تا شدت بر حسب آمپر بر متر به دست آید
03 · مرتبههای بزرگی
بیست و سه مرتبه: از مغز تا مگنتاریک تسلا: شکاف هوایی یک موتور برقی نیرومند
04 · ابزارهای اندازهگیری
چگالی شار مغناطیسی را با چه میسنجند
جریان در ورقهٔ نازک نیمرسانا با میدان منحرف میشود، و بر وجههای کناری آن ولتاژی متناسب با چگالی شار پدید میآید. ارزان، کوچک، از صفر تا دهها تسلا کار میکند — از اینرو در هر موتور بیجاروبک و در هر حسگر دور چرخ نشسته است.
هسته را با جریان متناوب به اشباع میرانند و نامتقارنی پاسخ را میپایند: میدان بیرونی حلقه را جابهجا میکند و در سیمپیچ ثانویه هماهنگ دوم پدیدار میشود. ابزار اصلی ژئوفیزیک و فضاپیماها، حساس تا پیکوتسلا.
پروتونهای نمونهای از آب با بسامدی تقدیم میکنند که سخت با میدان متناسب است: ۴۲٫۵۸ مگاهرتز بر تسلا. اندازهگیری به اندازهگیری بسامد فرو میکاهد، و بسامد همان چیزی است که بهتر از هر چیز میتوانیم بسنجیم — از اینرو دقتی در حد یک در میلیون و نقش روش مرجع.
تداخلسنج ابررسانا کوانتومهای شار مغناطیسی را میشمارد و فمتوتسلا را بازمیشناسد — یک میلیارد بار کمتر از میدان زمین. تنها در کرایوستات و درون اتاق حفاظدار کار میکند، اما اجازه میدهد میدان مغناطیسی مغز ثبت شود.
05 · تسلا در کار
کدام میدان کجاست و خطرش در چیست
پنجاه میکروتسلا میدان زمین است؛ ده برابر آن، نیم میلیتسلا، همان خطی است که پشت آن دارندگان ضربانساز را به اتاق امآرآی راه نمیدهند. آن را روی کف میکشند.
نیروی معمول دستگاه. در این میدان دیگر نمیتوان جسمی فولادی را با دست نگه داشت: کشش تندتر از آن رشد میکند که آدمی فرصت باز کردن انگشتان را بیابد.
دیامغناطیس آب ضعیف است، اما در چنین میدانی به بیرون رانده میشود — چندان که قطرهای، ملخی و قورباغهای در هوا آویزان بمانند.
بالاتر از آن فشار مغناطیسی سیمپیچ را از درون میدرد. دورتر تنها دستگاههای تپی میمانند، که میکروثانیهها زندگی میکنند.
میدان دستگاه جسم آهنربایی را با نیرویی میکشد که با نزدیک شدن بزرگتر میشود، از اینرو نگه داشتنش ناممکن است: کپسول متر آخر را با سرعت یک خودرو میپیماید. در سال ۲۰۰۱ در نیویورک چنین کپسولی پسری ششساله را که در دستگاه خوابیده بود کشت. آهنربا را نمیتوان در دم خاموش کرد — باید سیمپیچ ابررسانا را با تبخیر هلیم مایع خاموش کرد، و بازگرداندن آن روزها طول میکشد.
آب دیامغناطیس ضعیفی است و در میدان نیرومند ناهمگن به بیرون رانده میشود. در آزمایشگاهی هلندی در سال ۱۹۹۷ در میدان شانزده تسلا قطرههای آب، یک ملخ و یک قورباغه را به شناور شدن واداشتند — و قورباغه، چنانکه پیداست، هیچ آسیبی ندید. این آزمایش برای آندره گایم جایزهٔ ایگ نوبل سال ۲۰۰۰ را به ارمغان آورد، و ده سال بعد همان پژوهشگر نوبل گرافن را گرفت.
06 · قواعد نگارش
T بزرگ — t کوچک تُن است
T بزرگ — t کوچک تُن است، و نام در متن جاری با حرف کوچک نوشته میشود: تسلا. جمع آن تغییر نمیکند: پنج تسلا، و نام حرف بزرگ نمیگیرد هرچند از نام خانوادگی آمده است. یک t کوچک در کنارش تُن است، کمیتی بهکلی دیگر.
نماد کمیت B مورّب است و نماد یکا T ایستاده؛ نماد روسی Тл است. گاوس به SI تعلق ندارد: استانداردها بهصراحت بهکار بردن دو یکا را کنار هم در یک سند منع میکنند. پیشوند میکرو میوی یونانی میخواهد: µT نه uT. در پزشکی نیروی میدان دستگاه را معمولاً بی هیچ یکایی میگویند — «یک و نیم»، «سه» — اما در اسناد کامل نوشته میشود.
07 · یکاهای همسایه
تسلا چگالی شار است؛ در مساحت ضرب شود وبر میدهد، و بر ثابت مغناطیسی تقسیم شود شدت را بر حسب آمپر بر متر. گاوس همان کمیت در دستگاه CGS است.
از شناسنامههای Simetrium همسایگان تسلا وبر همچون شاری از همان طبیعت، گاوس و اورستد از دستگاه CGS، هانری s آمپر از محاسبهٔ سیمپیچها و هرتز، که بسامد تشدید با آن بیان میشود.
08 · بخش تاریخی
پیش از تسلا میدان را با چه میسنجیدند
نیکولا تسلا نشان داد که سه جریان با اختلاف فاز میدانی میآفرینند که بی هیچ قطعهٔ متحرک میچرخد. موتور القایی بینیاز از کلکتور و جاروبک از کار درآمد و جریان مستقیم را از صنعت بیرون راند.
ادیسون از جریان مستقیم دفاع میکرد و از اعدام علنی جانوران با جریان متناوب برای اثبات خطر آن ابایی نداشت. ستیز را نیروگاه نیاگارا در سال ۱۸۹۵ فیصله داد: انتقال انرژی به دوردست را تنها جریان متناوب میدانست.
در آزمایشگاهی در ارتفاع دو کیلومتری، تسلا آذرخشهای ساختگی به درازای دهها متر میکشید و لامپها را بیسیم روشن میکرد. ترانسفورماتور تشدیدی که نامش را دارد هم به فن راه یافت و هم به افسانههای مردمی.
یازدهمین کنفرانس عمومی، همان که خودِ نام «دستگاه بینالمللی یکاها» را تصویب کرد، به چگالی شار نام تسلا را داد. آن هنگام مخترع هفده سال بود که مرده بود، و در هتلی در نیویورک، غرق در بدهی، درگذشته بود.
چهل و پنج و نیم تسلا مرزی است که در آزمایشگاه ملی میدانهای مغناطیسی قوی به دست آمده: درج ابررسانا درون آهنربای مقاومتی. دستگاههای تپی تا هزار تسلا میدهند، اما در این میان سیمپیچ خود را در میکروثانیهها نابود میکنند.
در ستارگان نوترونی با نیرومندترین میدان مغناطیسی چگالی شار به صدها گیگاتسلا میرسد. از فاصلهٔ هزار کیلومتری چنین میدانی هر کارت بانکی را پاک میکرد، و از نزدیک لایههای الکترونی اتمها را چون سیگار میکشد.
میدانی که سیمپیچ خود را میدرد
حد بالای میدان مغناطیسی را نه مهندسی برق، بلکه استحکام مواد تعیین میکند. فشار مغناطیسی مانند مربع چگالی شار بالا میرود: در یک تسلا چهار اتمسفر است، در ده چهارصد، در پنجاه دیگر ده هزار، که از استحکام مس فراتر میرود. از اینرو آهنرباهای دائمی نیرومندتر از چهل و پنج تسلا نمیتوانند وجود داشته باشند: سیمپیچ از درون دریده میشود. دستگاههای تپی این ممنوعیت را با زمان دور میزنند — میدان هزار تسلا میکروثانیهها زندگی میکند، کوتاهتر از آنکه ویرانی فرصت رشد بیابد، و باز هم باید پس از هر شلیک سیمپیچ را عوض کرد. خود تسلا را دقیقترین گونه از راه بسامد میسنجند: پروتون در میدان با ۴۲٫۵۷۷ مگاهرتز بر تسلا تقدیم میکند، و معیارهای ملی چگالی شار در اصل بسامدسنجهایی با آمپولی آباند. خودِ نسبت ژیرومغناطیسی پروتون تا رقم یازدهم شناخته است، چنانکه عدم قطعیت اندازهگیری میدان را نه فیزیک، بلکه یکنواختی آهنربا تعیین میکند.
فهرست · یکاهای اندازهگیری
شناسنامهای برای هر کمیت
هفت یکای اصلی SI، بیستودو یکای فرعی با نامهای ویژه و یکاهای بیرون دستگاه که نه فناوری از آنها بینیاز است و نه زندگی روزمره. هر یکا برگ خود را دارد: تعریف، تبدیل، ابزارها، قواعد نگارش. به 31 زبان.
یکاهای فرعی SI با نام ویژه
شناسنامهٔ تسلا باز استیکاهای اصلی SI
به رنگ سفال — سه یکایی که تسلا از آنها ساخته میشودچگالی شار مغناطیسی در دستگاههای دیگر
زبان شناسنامه
31 زبان. نماد T جهانی است، اما عادت اندازهگیری با گاوس ناهموار دوام آورده: در نوشتههای روسی و ژاپنی و چینی دربارهٔ مواد مغناطیسی یکاهای CGS تا امروز دیده میشوند.