테슬라
SI 유도 단위 · 양: 자기 선속 밀도
01 · 정의
테슬라란 1웨버의 선속이 1제곱미터의 넓이를 지날 때의 자기 선속 밀도다. 힘을 통한 같은 값의 정의: 1테슬라의 장에서 1미터 길이의 도체에 1암페어가 흐르면 1뉴턴의 힘을 받는다.
단위는 집안 잣대로는 크게, 천체물리 잣대로는 작게 나왔다. 지구의 장은 50마이크로테슬라, 학교 자석은 십분의 일, 네오디뮴 원판은 표면에서 1을 넘는다. 그 너머부터 기술의 영역이고 거기서는 일 단위와 십 단위로 센다. 이 양이 아예 쓰이는 폭은 스물세 자릿수에 걸친다 — 일하는 뇌의 자기장인 펨토테슬라부터 마그네타 표면의 수백 기가테슬라까지. 거기서는 장이 원자의 전자껍질을 일그러뜨리고 진공은 비어 있기를 그만둔다.
120도씩 어긋난 세 권선에 같은 만큼 위상이 어긋난 전류를 흘리면, 움직이는 부품 하나 없이 공간에서 도는 장이 생긴다. 유도 전동기의 회전자에는 정류자도 브러시도 필요 없다 — 장이 그 안에 전류를 유도하고 끌고 간다. 1888년의 특허는 산업 교류 전기공학 전체의 바탕이 되었고, 오늘까지도 세계 전기의 절반쯤을 바로 그런 전동기가 쓴다.
02 · 환산
선속 밀도를 넣으면 자료표가 단위별로 풀어 준다
가우스는 다른 어떤 CGS 단위보다 끈질기게 버틴다. 지구물리도, 자성 재료도, 플라스마 물리도 오늘까지 쓴다. 1테슬라는 정확히 만 가우스이고 계수는 정확해서 환산은 늘 간단하다. 감마는 지구물리학자의 단위로 나노테슬라와 같다 — 광석을 찾을 때의 자기 이상을 이것으로 잰다.
테슬라는 선속 밀도 B를 재고, 미터당 암페어는 세기 H를 잰다. 진공에서는 자기 상수를 통해 비례하지만 쇠 안에서는 천 배씩 다르다 — 강철이 장을 세게 하는데 계산은 H로 한다. 이 관계는 선형이 아니고 히스테리시스 고리를 가지므로 표의 「A/m」과 「에르스텟」 줄은 진공과 공기에만 통한다.
| 단위 | 이름 | 값 | 어디서 만나는가 |
|---|---|---|---|
| T | 테슬라, SI 단위 | 1 | 이 자료표의 출발 단위 |
| mT | 밀리테슬라 | 1000 | 집안의 양: 테슬라의 백분의 몇 |
| µT | 마이크로테슬라 | 1000000 | 여기 지구 자기가 산다 |
| nT | 나노테슬라 | 10⁹ | 같은 감마, 다만 SI에서 |
| fT | 펨토테슬라 | 10¹⁵ | 잴 수 있는 것의 아래 끝 |
| Wb/m² | 제곱미터당 웨버 | 1 | 같은 말을 달리 하면: 테슬라는 제곱미터당 웨버다 |
| A/m | 세기 H | 795775 | 이 줄은 진공과 공기에만 통한다 |
| G | 가우스, CGS | 10000 | 1테슬라 속에 정확히 만 — 계수는 정확하다 |
| kG | 킬로가우스 | 10 | 실험실 자기장에 알맞은 배수 |
| γ | 감마 | 10⁹ | 가우스의 십만분의 일, 나노테슬라와 같다 |
| Oe | 에르스텟 | 10000 | 진공에서 가우스와 수치가 같다 — 혼동은 여기서 |
| T | 테슬라 | 1 | 이 자료표의 출발 단위 |
테슬라는 선속 밀도다: 넓이를 곱하면 웨버, 자기 상수로 나누면 미터당 암페어의 세기가 된다
03 · 크기의 차수
스물세 자릿수: 뇌에서 마그네타까지1테슬라: 강력한 전동기의 공극
04 · 측정 기기
자기 선속 밀도는 무엇으로 재는가
얇은 반도체 판을 흐르는 전류는 장에 휘고, 옆면에는 선속 밀도에 비례하는 전압이 나타난다. 싸고 작고 0에서 수십 테슬라까지 일한다 — 그래서 브러시 없는 모터마다, 바퀴 속도 센서마다 들어 있다.
교류로 코어를 포화까지 몰고 응답의 비대칭을 살핀다. 바깥 장이 고리를 밀어내면 이차 권선에 제2고조파가 나타난다. 지구물리와 우주선의 주력 기기로 피코테슬라까지 느낀다.
물 시료의 양성자는 장에 엄격히 비례하는 주파수로 세차운동한다: 테슬라당 42.58메가헤르츠. 측정은 주파수를 재는 일로 줄고, 주파수야말로 우리가 가장 잘 재는 것이다 — 여기서 백만분의 일의 정확도와 기준 방법으로서의 자리가 나온다.
초전도 간섭계는 자기 선속의 양자를 세고 펨토테슬라를 가려낸다 — 지구의 장보다 십억 배 작다. 저온 유지 장치와 차폐실 안에서만 작동하지만 뇌의 자기장을 적을 수 있게 해 준다.
05 · 일하는 테슬라
어떤 장이 어디에 있고 무엇이 위험한가
50마이크로테슬라는 지구의 장이다. 그 열 배인 0.5밀리테슬라가, 심박 조율기를 단 사람을 MRI 실에 들이지 않는 선이다. 바닥에 그려 둔다.
기계의 보통 세기. 이 장에서는 강철 물건을 이제 손으로 붙들 수 없다. 끌리는 힘이 사람이 손가락을 펴는 것보다 빨리 자란다.
물의 반자성은 약하지만 그런 장에서는 바깥으로 밀린다 — 물방울과 메뚜기와 개구리가 공중에 매달릴 만큼.
그 위에서는 자기 압력이 권선을 안쪽에서 찢는다. 더 멀리에는 마이크로초를 사는 펄스 장치만 남는다.
촬영 장치의 장은 강자성 물체를 끌어들이고 그 힘은 가까워질수록 커져 붙들 수가 없다. 마지막 1미터를 통은 자동차의 속도로 지난다. 2001년 뉴욕에서 그런 통이 장치에 누워 있던 여섯 살 아이를 죽였다. 자석은 곧바로 끌 수 없다 — 초전도 권선은 액체 헬륨을 증발시켜 꺼야 하고 되돌리는 데 며칠이 걸린다.
물은 약한 반자성체여서 세고 고르지 않은 장에서는 바깥으로 밀려난다. 1997년 네덜란드의 한 실험실에서는 16테슬라의 장에서 물방울과 메뚜기와 개구리를 떠오르게 했다 — 개구리는 보아하니 아무 해도 입지 않았다. 이 실험으로 안드레 가임은 2000년 이그노벨상을 받았고, 십 년 뒤 같은 연구자가 그래핀으로 노벨상을 받았다.
06 · 표기 규칙
T는 대문자 — 소문자 t는 톤
T는 대문자 — 소문자 t는 톤이고, 이름은 본문에서 작게 쓴다: 테슬라. 복수형은 변하지 않는다: 다섯 테슬라. 성에서 왔지만 대문자를 붙이지 않는다. 옆의 소문자 t는 톤으로, 아주 다른 양이다.
양의 기호는 기울인 B, 단위의 기호는 곧은 T다. 러시아어 기호는 Тл. 가우스는 SI에 속하지 않는다 — 규격은 한 문서에 두 단위를 나란히 쓰는 것을 분명히 금한다. 접두어 마이크로에는 그리스 문자 뮤가 필요하다: µT이지 uT가 아니다. 의학에서는 장치의 자기장 세기를 대개 단위 없이 말한다 — 「일점오」, 「삼」 — 그러나 문서에는 온전히 적는다.
07 · 이웃 단위
테슬라는 선속 밀도다. 넓이를 곱하면 웨버를, 자기 상수로 나누면 미터당 암페어의 세기를 준다. 가우스는 CGS 체계에서의 같은 양이다.
Simetrium의 자료표 가운데 테슬라와 이웃한 것은 웨버 같은 성질의 선속으로서, 가우스 와 에르스텟 CGS 체계에서, 헨리 s 암페어 권선 계산에서, 그리고 헤르츠 — 공명 주파수는 이것으로 나타낸다.
08 · 역사 부문
테슬라 이전에는 장을 무엇으로 쟀는가
니콜라 테슬라는 위상이 어긋난 세 전류가 움직이는 부품 없이 도는 장을 만든다는 것을 보였다. 유도 전동기는 정류자도 브러시도 없이 해냈고 직류를 산업에서 몰아냈다.
에디슨은 직류를 지켰고, 그 위험을 보이려고 동물을 교류로 공개 처형하는 일도 마다하지 않았다. 논쟁을 닫은 것은 1895년의 나이아가라 발전소다 — 에너지를 멀리 보낼 줄 아는 것은 교류뿐이었다.
해발 이 킬로미터의 실험실에서 테슬라는 수십 미터짜리 인공 번개를 끌어냈고 선 없이 램프를 밝혔다. 그의 이름을 지닌 공진 변압기는 기술로도, 또 그만큼 민담으로도 넘어갔다.
제11차 국제도량형총회 — 「국제단위계」라는 이름 자체를 승인한 바로 그 총회가 — 선속 밀도에 테슬라의 이름을 주었다. 그때 발명가는 이미 십칠 년 전에 죽었고, 뉴욕의 한 호텔에서 빚 속에 숨을 거두었다.
45.5테슬라는 국립 강자기장 연구소에서 이른 한계다 — 저항성 자석 안에 초전도 삽입물을 넣은 것. 펄스 장치는 천 테슬라까지 내지만 그때마다 제 권선을 마이크로초 만에 부순다.
가장 센 자기장을 가진 중성자별에서 선속 밀도는 수백 기가테슬라에 이른다. 천 킬로미터 떨어진 곳에서도 그런 장은 어떤 은행 카드든 지울 것이고, 가까이서는 원자의 전자껍질을 시가처럼 늘인다.
제 권선을 찢는 장
자기장의 상한을 정하는 것은 전기공학이 아니라 재료의 강도다. 자기 압력은 선속 밀도의 제곱으로 자란다. 1테슬라에서 네 기압, 10에서 사백, 50에서는 이미 만 — 구리의 강도를 넘어선다. 그래서 45테슬라보다 센 영구자석은 있을 수 없다. 권선이 안쪽에서 찢긴다. 펄스 장치는 시간으로 이 금지를 비껴간다 — 천 테슬라의 장은 마이크로초를 살고, 파괴가 자랄 만큼 길지 않다. 그래도 코일은 발사할 때마다 갈아야 한다. 테슬라 자체를 가장 정확히 재는 길은 주파수다. 양성자는 장 속에서 테슬라당 42.577메가헤르츠로 세차운동하고, 각국의 선속 밀도 표준은 결국 물이 든 앰풀이 달린 주파수 계수기다. 양성자의 자기회전비 자체가 열한 자리까지 알려져 있어, 자기장 측정의 불확도를 정하는 것은 물리가 아니라 자석의 고름이다.
목록 · 측정 단위
양마다 하나의 자료표
SI 기본 단위 일곱, 고유한 이름을 가진 유도 단위 스물둘, 그리고 기술에도 일상에도 없어서는 안 되는 SI 밖의 단위들. 저마다 한 장씩: 정의, 환산, 기기, 표기 규칙. 36개 언어로.
고유한 이름을 가진 SI 유도 단위
테슬라 자료표가 열려 있음SI 기본 단위
테라코타색은 테슬라를 이루는 세 단위다른 체계에서의 자기 선속 밀도
자료표 언어
31 언어. 기호 T는 국제적이지만, 가우스로 재는 버릇은 고르지 않게 남아 있다. 자성 재료에 관한 러시아어·일본어·중국어 문헌에서는 CGS 단위를 오늘까지도 만난다.