Tesla
In 1997 steeg in het hogeveldlaboratorium in Nijmegen een levende kikker op in de lucht. Niemand hield hem vast. Hij zweefde in de verticale boring van een magneet van 16 T. Het water in het lichaam van de kikker wordt zwak afgestoten door het veld, en bij zo’n sterkte woog de afstoting zwaarder dan zijn gewicht. De kikker had er geen last van, en Andre Geim en Michael Berry kregen voor het experiment de Ig Nobelprijs.
De tesla is de eenheid van magnetische inductie. Hij geeft aan hoe dicht de magnetische flux loopt: één tesla is één weber door een vierkante meter. Het aardveld is ongeveer 50 µT. Een koelkastmagneet een paar millitesla. Een MRI-scanner in het ziekenhuis 1,5 of 3 T.
| Aanduiding | T |
| Definitie | weber per vierkante meter · Wb/m² · V·s/m² · kg·s⁻²·A⁻¹ |
| Referentiewaarden | een proton in water precedeert met 42,576 384 MHz per tesla · 1 T = 10⁴ G |
| Ingevoerd | in het SI sinds 1960, XIe Algemene Conferentie · genoemd naar Nikola Tesla |
| Normen | ISO 80000-6 · IEC 60050-121 · IEC 60601-2-33 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische waarden | 50 µT — aardveld · 3 T — MRI-scanner · 16 T — een kikker zweeft |
01 · Definitie
Een weber op elke vierkante meter
De magnetische inductie B geeft aan hoe hard een veld een bewegende lading duwt. De lorentzkracht is gelijk aan de lading maal de snelheid maal de inductie. Stel dat een lading van één coulomb met 1 m/s dwars door een veld van 1 T vliegt. Dan werkt er een kracht van 1 N op. Zo druk je de tesla uit in de mechanica.
Dezelfde tesla is magnetische fluxdichtheid: een weber door een vierkante meter. Daarom meet je een veld op twee manieren. Je kunt kijken hoe sterk het elektronen in een halfgeleider afbuigt — zo werkt een hallsensor. Je kunt meten hoe snel protonen erin tollen — zo werkt NMR.
Hoe een sensor een veld opmerkt
Een halfgeleiderplaatje van bovenaf. Een stroom van 1 mA loopt van links naar rechts, dus de elektronen — magenta stippen — lopen van rechts naar links. De blauwe cirkels met een stip zijn een veld dat naar de lezer wijst: hoe feller, hoe sterker. Het veld buigt de elektronen af naar de bovenrand. Daar hoopt min zich op, onderaan plus. De voltmeter rechts meet dat verschil — de hallspanning.
Een magnetisch veld heeft twee grootheden. De inductie B in tesla is wat een lading of een kompasnaald voelt. De veldsterkte H in ampère per meter is wat stromen opwekken. In vacuüm hangen ze samen via de constante μ₀: bij een veld van 1 T hoort 795 775 A/m. In ijzer geeft dezelfde veldsterkte een duizenden keren grotere inductie.
Wat een veld doet als het steeds sterker wordt
In het midden staat een supergeleidende magneet in doorsnede, met een verticale boring. De cirkels in de wikkeling zijn windingen met stroom: met een stip — stroom naar de lezer toe, met een kruisje — van de lezer af. De blauwe stippellijnen zijn veldlijnen. In de boring lopen ze omhoog, buiten keren ze terug naar beneden. Hoe sterker het veld, hoe meer en hoe feller ze zijn. In de boring kun je ferrovloeistof, een cuvet met water of een druppel zetten, en een paperclip op de tafel ernaast. Rechts staan drie instrumenten: een elektronenbundel, een proton in water en een kompas op drie meter van de magneet. Links het bedieningspaneel: veld, wikkelstroom, energie en voorraad vloeibaar helium. De knop ‘Quench’ schakelt de supergeleiding van de wikkeling uit. De tijd in de scène is versneld: een echte magneet wordt urenlang opgeladen.
Zet ferrovloeistof in de boring en verhoog het veld.
02 · Omrekening
| Eenheid | Waarde | Waar het voorkomt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
1 T = 10 000 G. Oude datasheets van magneten geven gauss: ‘3000 G’ is 0,3 T.
Geofysici rekenen in gamma: 1 γ = 1 nT. Een magnetische storm verschuift het aardveld met honderden gamma.
De oersted is een eenheid van veldsterkte H, niet van inductie. Alleen in vacuüm komt 1 Oe overeen met 1 G.
03 · Ordes van grootte
04 · Meetinstrumenten
05 · Schrijfregels
06 · Naburige eenheden
07 · Historisch deel
Een sterk veld meet je het nauwkeurigst via een frequentie. Protonen in water tollen als draaitollen om een veldlijn, en de tolfrequentie is strikt evenredig met de inductie. Voor een bolletje water bij 25 °C is de coëfficiënt tot op negen cijfers bekend: 42,576 384 74 MHz per tesla. Het instrument vindt de responsfrequentie en deelt die door dit getal. Zo ken je het veld tot op miljoensten.
Zwakke velden, tot een millitesla, maak je met helmholtzspoelen. Dat zijn twee gelijke ringen op een afstand van één straal van elkaar. Daartussen is het veld bijna homogeen, en je berekent het uit de stroom, het aantal windingen en de straal. De stroom meet je tegen kwantumstandaarden, de afmetingen met een liniaal. Zo krijg je een referentieveld waarmee fluxgates en hallsensoren worden gekalibreerd.
Catalogus van grootheden
de hele index →De zeven SI-basiseenheden
Een druppel zuur verandert de kleur van het sap, zout kleurt de vlam, water bevriest door een tik. Daaronder alle bladen van Simetrium, per vakgebied en alfabetisch.
Index openen →