Tesla
SI:n johdannaisyksikkö · suure: magneettivuon tiheys
01 · Määritelmä
Tesla on se magneettivuon tiheys, jolla yhden weberin vuo kulkee yhden neliömetrin alan läpi. Vastaava määritelmä voiman kautta: yhden teslan kentässä metrin pituinen johdin, jossa kulkee yksi ampeeri, kokee yhden newtonin voiman.
Yksikkö tuli suureksi kotimitassa ja pieneksi astrofysiikan mitassa. Maan kenttä on viisikymmentä mikroteslaa, koulumagneetti antaa kymmenesosia, neodyymikiekko aivan pinnassaan ylittää yhden; sen jälkeen alkaa tekniikka, jossa lasketaan ykkösissä ja kymmenissä. Alue, jolla suuretta ylipäätään käytetään, kattaa kaksikymmentäkolme kertalukua: työskentelevän aivon magneettikentän femtoteslasta magnetarin pinnan satoihin gigatesloihin, missä kenttä vääristää atomien elektronikuoria ja tyhjiö lakkaa olemasta tyhjä.
Kolme sadankahdenkymmenen asteen päähän siirrettyä käämiä, joita syötetään saman vaihesiirron virroilla, luovat kentän, joka pyörii avaruudessa ilman ainuttakaan liikkuvaa osaa. Oikosulkumoottorin roottori ei tarvitse kommutaattoria eikä harjoja: kenttä indusoi siihen virtoja ja vetää sen mukanaan. Vuoden 1888 patentista tuli koko teollisen vaihtovirtatekniikan perusta, ja vielä tänäkin päivänä noin puolet maailman kaikesta sähköstä kuluu juuri tällaisiin moottoreihin.
02 · Muunnos
Syötä vuon tiheys — kortti purkaa sen yksiköihin
Gauss pitää pintansa itsepintaisemmin kuin mikään muu CGS-yksikkö: geofysiikka, magneettiset aineet ja plasmafysiikka käyttävät sitä yhä. Yksi tesla on tasan kymmenentuhatta gaussia, kerroin on tarkka, siksi muunnos on aina yksinkertainen. Gamma on geofyysikkojen yksikkö, yhtä suuri kuin nanotesla: siinä mitataan magneettisia poikkeamia malmia etsittäessä.
Tesla mittaa vuon tiheyttä B, ampeeri metriä kohti kentän voimakkuutta H. Tyhjiössä ne ovat verrannollisia magneettivakion kautta; raudassa ne eroavat tuhatkertaisesti: teräs vahvistaa kenttää, kun taas laskenta tehdään H:ssa. Tämä riippuvuus ei ole lineaarinen, siinä on hystereesisilmukka, siksi taulukon rivit «A/m» ja «oersted» pätevät vain tyhjiölle ja ilmalle.
| Yksikkö | Nimi | Arvo | Missä esiintyy |
|---|---|---|---|
| T | tesla, SI-yksikkö | 1 | tämän kortin lähtöyksikkö |
| mT | millitesla | 1000 | kotoinen suure: teslan sadasosia |
| µT | mikrotesla | 1000000 | täällä elää maan magnetismi |
| nT | nanotesla | 10⁹ | sama gamma, vain SI:ssä |
| fT | femtotesla | 10¹⁵ | mitattavan alaraja |
| Wb/m² | weber neliömetriä kohti | 1 | sama asia toisin sanoin: tesla on weber neliömetriä kohti |
| A/m | voimakkuus H | 795775 | rivi pätee vain tyhjiölle ja ilmalle |
| G | gauss, CGS | 10000 | tasan kymmenentuhatta teslassa — kerroin on tarkka |
| kG | kilogauss | 10 | kätevä kerrannainen laboratoriokenttiin |
| γ | gamma | 10⁹ | sadastuhannesosa gaussia, sama kuin nanotesla |
| Oe | oersted | 10000 | lukuarvoltaan yhtä suuri kuin gauss tyhjiössä — siitä sekaannus |
| T | tesla | 1 | tämän kortin lähtöyksikkö |
Tesla on vuon tiheys: kerro pinta-alalla, niin saat weberin, jaa magneettivakiolla, niin saat kentän voimakkuuden ampeereina metriä kohti
03 · Suuruusluokat
kaksikymmentäkolme kertalukua: aivoista magnetariinYksi tesla: tehokkaan sähkömoottorin ilmaväli
04 · Mittalaitteet
Millä magneettivuon tiheyttä mitataan
Virta ohuessa puolijohdelevyssä taipuu kentässä, ja sen sivupinnoille ilmestyy jännite, joka on verrannollinen vuon tiheyteen. Halpa, pieni, toimii nollasta kymmeniin tesloihin — siksi se on jokaisessa harjattomassa moottorissa ja jokaisessa pyörän nopeusanturissa.
Sydän ajetaan kyllästykseen vaihtovirralla ja seurataan vasteen epäsymmetriaa: ulkoinen kenttä siirtää silmukkaa, ja toisiokäämiin ilmestyy toinen yliaalto. Geofysiikan ja avaruusalusten tärkein laite, herkkä pikoteslaan asti.
Vesinäytteen protonit prekessoivat taajuudella, joka on tarkasti verrannollinen kenttään: 42,58 megahertsiä teslaa kohti. Mittaus palautuu taajuuden mittaamiseen, ja taajuus on se, minkä osaamme mitata parhaiten — siitä miljoonasosien tarkkuus ja rooli vertailumenetelmänä.
Suprajohtava interferometri laskee magneettivuon kvantteja ja erottaa femtoteslan — miljardi kertaa vähemmän kuin maan kenttä. Se toimii vain kryostaatissa ja suojatussa huoneessa, mutta sen avulla aivojen magneettikenttä voidaan tallentaa.
05 · Tesla työssä
Missä mikäkin kenttä on ja mikä siinä on vaarallista
Viisikymmentä mikroteslaa on maan kenttä; kymmenen kertaa se, puoli milliteslaa, on se viiva, jonka taakse sydämentahdistimen kanssa ei päästetä magneettikuvaushuoneeseen. Se maalataan lattiaan.
Laitteen tavanomainen voimakkuus. Tässä kentässä teräsesinettä ei enää pysty pitämään kädessä: vetovoima kasvaa nopeammin kuin ihminen ehtii avata sormensa.
Veden diamagnetismi on heikko, mutta tällaisessa kentässä se työntyy ulospäin — niin paljon, että pisara, heinäsirkka ja sammakko roikkuvat ilmassa.
Sen yläpuolella magneettinen paine repii käämin sisältä. Kauempana ovat vain pulssilaitteistot, jotka elävät mikrosekunteja.
Kuvauslaitteen kenttä vetää ferromagneettista esinettä puoleensa voimalla, joka kasvaa sen lähestyessä, ja siksi sitä on mahdoton pitää: viimeisen metrin pullo kulkee auton nopeudella. Vuonna 2001 New Yorkissa tällainen pullo tappoi kuusivuotiaan pojan, joka makasi laitteessa. Magneettia ei voi sammuttaa hetkessä — suprajohtava käämi on sammutettava haihduttamalla nestemäinen helium, ja ennalleen palauttaminen vie päiviä.
Vesi on heikosti diamagneettista ja työntyy voimakkaassa epätasaisessa kentässä ulospäin. Alankomaalaisessa laboratoriossa saatiin vuonna 1997 kuudentoista teslan kentässä leijumaan vesipisaroita, heinäsirkka ja sammakko — joka kaiken näkyvän perusteella ei kärsinyt mitään vahinkoa. Koe toi Andre Geimille vuoden 2000 Ig Nobel -palkinnon, ja kymmenen vuotta myöhemmin sama tutkija sai Nobelin grafeenista.
06 · Kirjoitussäännöt
T isolla — pieni t on tonni
T isolla — pieni t on tonni, ja nimi juoksevassa tekstissä kirjoitetaan pienellä: tesla. Monikko taipuu tavallisen sanan tavoin: viisi teslaa, vaikka nimi on peräisin sukunimestä. Vieressä oleva pieni t on tonni, aivan toinen suure.
Suureen merkki on kursivoitu B, yksikön pystysuora T; venäläinen merkki on Тл. Gauss ei kuulu SI:hin: normit kieltävät nimenomaisesti käyttämästä kahta yksikköä rinnakkain samassa asiakirjassa. Etuliite mikro vaatii kreikkalaisen myyn: µT, ei uT. Lääketieteessä kuvauslaitteen kentän voimakkuus ilmoitetaan tavallisesti täysin ilman yksikköä — «puolitoista», «kolme» — mutta asiakirjoissa se kirjoitetaan kokonaan.
07 · Naapuriyksiköt
Tesla on vuon tiheys; pinta-alalla kerrottuna se antaa weberin, ja magneettivakiolla jaettuna kentän voimakkuuden ampeereina metriä kohti. Gauss on sama suure CGS-järjestelmässä.
Simetriumin korteista teslan naapureita ovat weber saman luonteisena vuona, gauss ja oersted CGS-järjestelmästä, henry s ampeeri käämien laskennasta ja hertsi, jossa resonanssitaajuus ilmaistaan.
08 · Historiallinen osa
Missä kenttää mitattiin ennen teslaa
Nikola Tesla osoitti, että kolme vaihesiirrettyä virtaa luovat kentän, joka pyörii ilman liikkuvia osia. Oikosulkumoottori tuli toimeen ilman kommutaattoria ja harjoja ja karkotti tasavirran teollisuudesta.
Edison puolusti tasavirtaa eikä kaihtanut teloittamasta eläimiä julkisesti vaihtovirralla todistaakseen sen vaarallisuuden. Kiistan sulki Niagaran voimalaitos vuonna 1895: energiaa osasi siirtää etäälle vain vaihtovirta.
Kahden kilometrin korkeudessa sijainneessa laboratoriossa Tesla veti kymmenien metrien pituisia keinotekoisia salamoita ja sytytti lamppuja ilman johtoa. Hänen nimeään kantava resonanssimuuntaja siirtyi tekniikkaan ja yhtä lailla kansantarinoihin.
Yhdestoista yleiskonferenssi, sama joka hyväksyi itse nimen «Kansainvälinen yksikköjärjestelmä», antoi vuon tiheydelle Teslan nimen. Silloin keksijä oli ollut kuolleena jo seitsemäntoista vuotta, ja hän kuoli newyorkilaisessa hotellissa, veloissa.
Neljäkymmentäviisi ja puoli teslaa on raja, joka on saavutettu Vahvojen magneettikenttien kansallisessa laboratoriossa: suprajohtava sisäke resistiivisen magneetin sisällä. Pulssilaitteistot antavat tuhanteen teslaan asti, mutta tuhoavat samalla oman käämiönsä mikrosekunneissa.
Voimakkaimman magneettikentän neutronitähdillä vuon tiheys yltää satoihin gigatesloihin. Tuhannen kilometrin päässä tällainen kenttä pyyhkisi minkä tahansa pankkikortin, ja läheltä se venyttää atomien elektronikuoret sikareiksi.
Kenttä, joka repii oman käämiönsä
Magneettikentän ylärajaa ei aseta sähkötekniikka vaan materiaalien lujuus. Magneettinen paine kasvaa vuon tiheyden neliönä: yhdessä teslassa se on neljä ilmakehää, kymmenessä neljäsataa, viidessäkymmenessä jo kymmenentuhatta, mikä ylittää kuparin lujuuden. Siksi neljääkymmentä viittä teslaa vahvempia kestomagneetteja ei voi olla olemassa: käämi repeäisi sisältä. Pulssilaitteistot kiertävät kiellon ajalla — tuhannen teslan kenttä elää mikrosekunteja, liian lyhyen ajan tuhon kehittyäkseen, ja kela on silti vaihdettava joka laukauksen jälkeen. Itse tesla mitataan tarkimmin taajuuden kautta: protoni prekessoi kentässä 42,577 megahertsin taajuudella teslaa kohti, ja kansalliset vuon tiheyden normaalit ovat pohjimmiltaan taajuuslaskureita vesiampullin kanssa. Protonin gyromagneettinen suhde tunnetaan itsessään yhteentoista numeroon, joten kenttämittauksen epävarmuutta ei aseta fysiikka vaan magneetin tasaisuus.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi omalla nimellä varustettua johdannaista ja järjestelmän ulkopuoliset yksiköt, joita ilman ei tule toimeen tekniikka eikä arki. Jokaisella oma lehtensä: määritelmä, muunnos, mittalaitteet, kirjoitussäännöt. 18 kielellä.
SI-johdannaisyksiköt omalla nimellä
teslan kortti on aukiSI-perusyksiköt
terrakotalla — ne kolme yksikköä, joista tesla koostuuMagneettivuon tiheys muissa järjestelmissä
Kortin kieli
18 kieltä. Merkki T on kansainvälinen, mutta tapa mitata gausseina pitää pintansa epätasaisesti: venäjän-, japanin- ja kiinankielisessä magneettisia aineita käsittelevässä kirjallisuudessa CGS-yksiköitä tapaa yhä.