Tesla
Nel 1997, nel laboratorio dei campi intensi di Nimega, una rana viva si sollevò in aria. Nessuno la teneva. Era sospesa nel tubo verticale di un magnete da 16 T. L’acqua nel corpo della rana è debolmente respinta dal campo, e con un’intensità simile la repulsione superò il suo peso. La rana non ne soffrì, e Andre Geim e Michael Berry ricevettero per l’esperimento il premio Ig Nobel.
Il tesla è l’unità di induzione magnetica. Indica quanto è fitto il flusso magnetico: un tesla è un weber attraverso un metro quadrato. Il campo terrestre è di circa 50 µT. Una calamita da frigorifero, qualche millitesla. Un apparecchio per risonanza magnetica in ospedale, 1,5 o 3 T.
| Notazione | T |
| Definizione | weber al metro quadrato · Wb/m² · V·s/m² · kg·s⁻²·A⁻¹ |
| Valori di riferimento | un protone in acqua precede a 42,576 384 MHz per tesla · 1 T = 10⁴ G |
| Introdotta | nel SI dal 1960, XI Conferenza generale · in onore di Nikola Tesla |
| Norme | ISO 80000-6 · IEC 60050-121 · IEC 60601-2-33 · SI Brochure 9th ed. |
| Valori tipici | 50 µT — campo terrestre · 3 T — apparecchio per RM · 16 T — una rana levita |
01 · Definizione
Un weber su ogni metro quadrato
L’induzione magnetica B indica con quanta forza un campo spinge una carica in movimento. La forza di Lorentz è uguale alla carica moltiplicata per la velocità e per l’induzione. Supponiamo che una carica di un coulomb attraversi un campo di 1 T a 1 m/s. Su di essa agisce allora una forza di 1 N. Così il tesla si esprime attraverso la meccanica.
Lo stesso tesla è una densità di flusso magnetico: un weber attraverso un metro quadrato. Per questo il campo si misura in due modi. Si può osservare quanto devia gli elettroni in un semiconduttore: così funziona un sensore a effetto Hall. Si può misurare con quale frequenza vi oscillano i protoni: così funziona la RMN.
Come un sensore si accorge del campo
Una piastrina di semiconduttore vista dall’alto. Una corrente di 1 mA scorre da sinistra a destra, quindi gli elettroni — punti magenta — corrono da destra a sinistra. I cerchi azzurri con un punto sono un campo diretto verso il lettore: più sono luminosi, più è intenso. Il campo devia gli elettroni verso il bordo superiore. Lì si accumula il meno, in basso il più. Il voltmetro a destra misura questa differenza: la tensione di Hall.
Un campo magnetico ha due grandezze. L’induzione B, in tesla, è ciò che sente una carica o l’ago di una bussola. L’intensità H, in ampere al metro, è ciò che creano le correnti. Nel vuoto sono legate dalla costante μ₀: a un campo di 1 T corrispondono 795 775 A/m. Nel ferro la stessa intensità dà un’induzione migliaia di volte maggiore.
Che cosa fa un campo quando diventa sempre più intenso
Al centro c’è un magnete superconduttore in sezione, con un tubo verticale. I cerchi nell’avvolgimento sono spire percorse da corrente: con il punto, corrente verso il lettore; con la croce, in direzione opposta. Le linee tratteggiate azzurre sono linee di campo. Dentro il tubo salgono, all’esterno tornano verso il basso. Più il campo è intenso, più sono numerose e luminose. Nel tubo si può mettere del ferrofluido, una cuvetta d’acqua o una goccia, e una graffetta sul tavolo accanto. A destra ci sono tre strumenti: un fascio di elettroni, un protone in acqua e una bussola a tre metri dal magnete. A sinistra c’è il pannello di controllo: campo, corrente nell’avvolgimento, energia e riserva di elio liquido. Il pulsante «Quench» spegne la superconduttività dell’avvolgimento. Il tempo nella scena è accelerato: un magnete vero si carica per ore.
Mettete il ferrofluido nel tubo e aumentate il campo.
02 · Conversione
| Unità | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
1 T = 10 000 G. Le vecchie schede tecniche dei magneti riportano i gauss: «3000 G» sono 0,3 T.
I geofisici contano in gamma: 1 γ = 1 nT. Una tempesta magnetica sposta il campo terrestre di centinaia di gamma.
L’oersted è un’unità di intensità di campo H, non di induzione. Solo nel vuoto 1 Oe corrisponde a 1 G.
03 · Ordini di grandezza
04 · Strumenti di misura
05 · Regole di scrittura
06 · Unità vicine
07 · Sezione storica
Un campo intenso si misura con la massima precisione tramite la frequenza. I protoni dell’acqua oscillano intorno a una linea di campo come trottole, e la frequenza di oscillazione è rigorosamente proporzionale all’induzione. Per una sfera d’acqua a 25 °C il coefficiente è noto fino alla nona cifra: 42,576 384 74 MHz per tesla. Lo strumento trova la frequenza di risposta e la divide per questo numero. Così si conosce il campo con un errore di milionesimi.
I campi deboli, fino a un millitesla, si generano con le bobine di Helmholtz. Sono due anelli uguali posti a una distanza pari al raggio. Tra di essi il campo è quasi uniforme e si calcola dalla corrente, dal numero di spire e dal raggio. La corrente si misura con campioni quantistici, le dimensioni con un righello. Si ottiene così un campo di riferimento con cui si tarano magnetometri fluxgate e sensori a effetto Hall.
Catalogo delle grandezze
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Una goccia d'acido cambia il colore del succo, il sale colora la fiamma, l'acqua gela con un colpo. Sotto, tutte le schede di Simetrium, per disciplina e in ordine alfabetico.
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