وبر
یکای فرعی SI · کمیت: شار مغناطیسی
01 · تعریف
یک وبر شاری است که با ناپدید شدنش در یک ثانیه در یک دور، یک ولت القا میکند. تعریف از راه تغییر تصادفی نیست: خود شار مغناطیسی چیزی نمیآفریند، تنها دگرگونی آن کار میکند. تمام نیروگاهی بر همین ایستاده — مولد، ترانسفورماتور، اجاق القایی. شار برابر القا ضرب در مساحت است: تسلا بر متر مربع درست همان وبر است.
از همینجا تفاوت وبر و تسلا برمیخیزد، همان که بیش از همه بههم آمیخته میشود. تسلا چگالی شار است، شار بر متر مربع؛ وبر همهٔ شار از میان یک کانتور بهتمامی. آهنربای نئودیمی نیرومند در سطح خود بیش از یک تسلا میدهد، اما شار از میان سطح مقطع کوچکش صدمهای وبر است. برای گرد آوردن یک وبر تمام، یا مساحت بزرگ لازم است یا میدان نیرومند: حلقهای به مساحت یک متر مربع در میدان زمین تنها پنجاه میکرووبر میگیرد.
دو حلقه در یک میدان یکنواخت واحد، القای یکسانی به تسلا میبینند اما شار متفاوتی به وبر: شار با مساحت متناسب است. از همینجا قاعدهٔ طراحی مولدها نیز برمیآید: نیروی محرکهٔ الکتریکی را میتوان با تقویت میدان، یا گشاد کردن حلقه، یا افزودن دور، یا چرخاندن تندتر بالا برد. اولی را اشباع آهن نزدیک دو تسلا محدود میکند، دومی و سومی را اندازه و مقاومت سیمپیچ، و از اینرو ماشینهای صنعتی به چهارمی برمیخورند و با دور بالا کار میکنند.
02 · تبدیل
یک شار وارد کنید — شناسنامه آن را به یکاها میشکافد
ماکسول یکای شار در دستگاه CGS است، صد میلیون بار کوچکتر از وبر. در نوشتههای کهنه دربارهٔ ماشینهای برقی همهٔ حسابها به ماکسول و گاوس میرود؛ گذار به وبر و تسلا تنها در دههٔ ۱۹۶۰ رخ داد. مهندسان خطهای نیرو را روی نقشه بهراستی میشمردند: یک خط، یک ماکسول. از همینجاست تعبیر «شار خطوط».
در ترانسفورماتور شار اندازه را تعیین میکند: هرچه ولتثانیهٔ بیشتری بر هسته بگذرد، سطح مقطعش بزرگتر. از اینرو قاعدهای که هر طراح میشناسد: ترانسفورماتور شبکه در پنجاه هرتز دو برابر حجیمتر از همتوان خود در صد هرتز است، حال آنکه منبع کلیدزنی در صد کیلوهرتز با حلقهٔ فریتی به اندازهٔ ناخن سر میکند. سطح مقطع را تنها با بالا بردن بسامد میتوان کاست — وگرنه آهن به اشباع میرود، شار همراه جریان بالا نمیرود و سیمپیچ میسوزد.
| یکا | نام | مقدار | کجا دیده میشود |
|---|---|---|---|
| Wb | وبر، یکای SI | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
| mWb | میلیوبر | 1000 | پیشوند کاری محاسبات مغناطیسی |
| µWb | میکرووبر | 1000000 | زیر آن سرزمین اسکوئیدها آغاز میشود |
| nWb | نانووبر | 10⁹ | اینجا وبرسنج هنوز مطمئن کار میکند |
| V·s | ولتثانیه | 1 | همان چیز به بیان دیگر: وبر همان ولتثانیه است |
| T·m² | تسلا بر m² | 1 | نوشتار درست است، اما از ۱۹۶۰ کمیت نام خود را دارد |
| Φ₀ | کوانتوم شار | 4.836·10¹⁴ | h/2e — مقداری دقیق بنا بر تعریف ۲۰۱۹ |
| Mx | ماکسول، CGS | 10⁸ | درست صد میلیون در یک وبر |
| kMx | کیلوماکسول | 100000 | مضربی آسان برای محاسبهٔ ماشینها |
| G·cm² | گاوس بر cm² | 10⁸ | همان ماکسول: خطی بر یک سانتیمتر مربع |
| line | خط نیرو | 10⁸ | مهندسان خطهای نقشه را یکییکی میشمردند |
| Wb | وبر | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
وبر میانهٔ سهگانهٔ مغناطیسی است: بر مساحت تقسیم کنید تسلا میگیرید، بر جریان هنری، بر زمان ولت
03 · مرتبههای بزرگی
از کوانتوم شار تا آهنربای شتابدهندهیک وبر: ماشینی بزرگ، یا آهنربایی نیرومند با مساحت بزرگ
04 · ابزارهای اندازهگیری
شار مغناطیسی را با چه میسنجند
قاب گردانی با گشتاور لختی بزرگ: در زمان تپ فرصت چرخیدن نمییابد، از اینرو نخستین انحراف با همهٔ باری که گذشته متناسب است، و آن با تغییر شار. دستگاه کلاسیک آزمایشگاههای مغناطیسی، که انتگرالگیرهای الکترونیکی تنها تا دههٔ هفتاد آن را کنار زدند.
انتگرالگیر الکترونیکی: ولتاژ پیچک اندازهگیری را در زمان جمع میزند و بیدرنگ ولتثانیه میدهد. بلای اصلیاش رانش صفر است: انتگرالگیر جابهجایی خود تقویتکننده را نیز میانباشد، از اینرو اندازهگیری با صفر کردن آغاز میشود و در چند ثانیه میگنجد.
دورهایی با مساحت معلوم را در میدان میگذارند و یکباره بیرون میکشند، یا صد و هشتاد درجه میگردانند. تپ ولتاژ انتگرالگرفته همهٔ شاری را میدهد که از آنها میگذشت — مستقیمترین راه اندازهگیری وبر یکراست از تعریف یکا.
حلقهای ابررسانا با دو پیوندگاه جوزفسون: شار از میان آن تنها به بهرههای دو فمتووبر و اندکی دگرگون میشود، و دستگاه این بهرهها را میشمارد. حساسترین مغناطیسسنج موجود — میدان مغناطیسی مغزی را که کار میکند میگیرد.
05 · قواعد نگارش
Wb — دو حرف، و دومی کوچک
نماد یکپارچه نوشته میشود و پیشوند پیش از همهٔ آن میآید: mWb، µWb. یک W بزرگ تنها در کنارش وات است، کمیتی بهکلی دیگر. شار را با حرف یونانی Φ نشان میدهند و تغییرش را با dΦ؛ در فرمولهای القا علامت منفی الزامی است، قاعدهٔ لنتس را بیان میکند.
شار پیوندی — شار ضرب در شمار دورها — به همان وبر سنجیده میشود اما با Ψ نشان داده میشود. در محاسبهٔ پیچکها Φ و Ψ را نباید آمیخت: تفاوت به صدها برابر میرسد. نشانهٔ روسی Вб است. نوشتار «وبر بر متر مربع» از نظر فنی درست و برابر تسلاست، اما نباید به کار رود: از ۱۹۶۰ این کمیت نام خود را دارد.
06 · یکاهای همسایه
وبر مغناطیس را به برق میبندد: بر مساحت تقسیم شود تسلا میدهد، بر جریان هنری، و نسبت به زمان مشتق گرفته شود ولت.
وبر بر متر مربع
شار مغناطیسی
وبر بر آمپر
از شناسنامههای Simetrium همسایگان وبر تسلا همچون چگالی همان شار، هانری از تعریف اندوکتانس، ولت s یک ثانیه، که حاصلضرب آن دو است، و نیز ماکسول و گاوس — پیشینیان آنها در دستگاه CGS.
07 · بخش تاریخی
پیش از وبر شار را با چه میسنجیدند
فارادی دو سیمپیچ بر حلقهای آهنی پیچید و دید که عقربهٔ گالوانومتر تنها در لحظهٔ وصل و قطع جریان تکان میخورد. میدان ثابت هیچ نمیدهد — تنها تغییر آن کار میکند.
وبر همراه با گاوس نخستین تلگراف الکترومغناطیسی را ساخت و نخستین کسی بود که اندازهگیریهای برقی را به مکانیکی بازگرداند. یکای شار مغناطیسی نام او را دارد.
کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک یکای عملی شار را وبر نامید، مضربی از ماکسول به توان ده. کنفرانس عمومی آن را همراه ولت و آمپر و دیگر یکاهای برقی به دستگاه آورد.
دیور و فربنک در استنفورد و همزمان دُل و نهباوئر در مونیخ شار را در استوانهای ابررسانا سنجیدند و آن را مضربی از یک بهرهٔ بنیادی یافتند. دوی مخرج تأیید کرد که بار را جفتهای الکترون میبرند.
شار را نمیتوان به هر پارهای ریخت — طبیعت آن را بهرهبهره پیمانه میکند
شار مغناطیسی به اندازهگیری مستقیم تن نمیدهد: هر دستگاهی نه به خود شار، بلکه به تغییر آن پاسخ میدهد. از اینرو شار را یا با بیرون کشیدن پیچک ناگهان میبُرند، یا پیچک را وارونه میکنند، یا جریان سیمپیچ را خاموش میسازند، و سپس تپ ولتاژ پدیدآمده را انتگرال میگیرند. دقت مطلق چنین اندازهگیریای را رانش انتگرالگیر و دانستن مساحت دورها محدود میکند و کمتر از یک دهم درصد بهتر میشود. کوانتیدگی شار تصویر را دگرگون کرد: در حلقهٔ ابررسانا شار تنها مقادیری میگیرد که مضرب Φ₀ = h/2e باشند، و این بهره دقیقاً دانسته است، زیرا ثابت پلانک و بار الکترون از سال ۲۰۱۹ با عدد تعیین شدهاند. اسکوئیدی که چنین بهرههایی را میشمارد، تغییر شاری به اندازهٔ یک میلیونیم کوانتوم را بازمیشناسد — حساسیتی که ثبت میدان مغناطیسی قلب از پس قفسهٔ سینه و میدان مغز از پس جمجمه را ممکن میکند. خود کوانتوم اما بیاندازه کوچک است: برای گرد آوردن یک وبر نزدیک پانصد تریلیون از آنها لازم است.
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 32 زبان.
یکاهای فرعی SI با نام ویژه
شناسنامهٔ وبر باز استیکاهای اصلی SI
به رنگ سفال — چهار یکایی که وبر از آنها ساخته میشودشار مغناطیسی در دستگاههای دیگر
زبان شناسنامه
32 زبان. نماد Wb جهانی است، اما عادت اندازهگیری با ماکسول ناهموار دوام آورده: در نوشتههای روسی و ژاپنی دربارهٔ مواد مغناطیسی یکاهای CGS تا امروز دیده میشوند.