Tesla
Jednostka pochodna SI · wielkość: indukcja magnetyczna
01 · Definicja
Tesla to indukcja magnetyczna, przy której strumień jednego webera przechodzi przez powierzchnię jednego metra kwadratowego. Równoważna definicja przez siłę: w polu jednej tesli przewodnik o długości metra z prądem jednego ampera doznaje siły jednego niutona.
Jednostka wyszła duża w miarę domową i mała w miarę astrofizyczną. Pole Ziemi to pięćdziesiąt mikrotesli, magnes szkolny daje dziesiąte części, krążek neodymowy tuż przy powierzchni przekracza jedność; dalej zaczyna się technika, gdzie liczy się na jedności i dziesiątki. Zakres, w którym wielkość w ogóle się stosuje, obejmuje dwadzieścia trzy rzędy: od femtotesli pola magnetycznego pracującego mózgu do setek gigatesli przy powierzchni magnetara, gdzie pole zniekształca powłoki elektronowe atomów, a próżnia przestaje być pusta.
Trzy uzwojenia przesunięte o sto dwadzieścia stopni i zasilane prądami o takim samym przesunięciu faz tworzą pole wirujące w przestrzeni bez jednej ruchomej części. Wirnik silnika asynchronicznego nie potrzebuje ani komutatora, ani szczotek: pole indukuje w nim prądy i ciągnie go za sobą. Patent z 1888 roku stał się podstawą całej przemysłowej elektrotechniki prądu przemiennego, i do dziś około połowy całej energii elektrycznej na świecie zużywają właśnie takie silniki.
02 · Przeliczanie
Wpisz indukcję — karta rozłoży ją na jednostki
Gaus trzyma się mocniej niż jakakolwiek inna jednostka CGS: geofizyka, materiały magnetyczne i fizyka plazmy posługują się nim do dziś. Jedna tesla to dokładnie dziesięć tysięcy gausów, współczynnik jest ścisły, dlatego przeliczenie zawsze jest proste. Gamma to jednostka geofizyków, równa nanotesli: nią mierzy się anomalie magnetyczne przy poszukiwaniu rud.
Tesla mierzy indukcję B, amper na metr — natężenie H. W próżni są proporcjonalne przez stałą magnetyczną, w żelazie różnią się tysiąckrotnie: stal wzmacnia pole, a rachunek prowadzi się w H. Zależność ta jest nieliniowa, z pętlą histerezy, dlatego wiersze «A/m» i «erstedt» w tabeli obowiązują tylko dla próżni i powietrza.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| T | tesla, jednostka SI | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
| mT | militesla | 1000 | wielkość domowa: setne części tesli |
| µT | mikrotesla | 1000000 | tutaj żyje magnetyzm ziemski |
| nT | nanotesla | 10⁹ | ta sama gamma, tylko w SI |
| fT | femtotesla | 10¹⁵ | dolna krawędź mierzalnego |
| Wb/m² | weber na m² | 1 | to samo innymi słowy: tesla to weber na metr kwadratowy |
| A/m | natężenie H | 795775 | wiersz obowiązuje tylko dla próżni i powietrza |
| Gs | gaus, CGS | 10000 | dokładnie dziesięć tysięcy w tesli — współczynnik jest ścisły |
| kGs | kilogaus | 10 | wygodna wielokrotność do obliczeń laboratoryjnych |
| γ | gamma | 10⁹ | jedna stutysięczna gausa, to samo co nanotesla |
| Oe | erstedt | 10000 | liczbowo równy gausowi w próżni — stąd zamieszanie |
| T | tesla | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
Tesla to gęstość strumienia: pomnóż przez powierzchnię, a dostaniesz webera, podziel przez stałą magnetyczną — natężenie w amperach na metr
03 · Rzędy wielkości
dwadzieścia trzy rzędy: od mózgu do magnetaraJedna tesla: szczelina mocnego silnika elektrycznego
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się indukcję magnetyczną
Prąd w cienkiej płytce półprzewodnikowej jest odchylany przez pole, a na jej bocznych ściankach pojawia się napięcie proporcjonalne do indukcji. Tani, mały, pracuje od zera do dziesiątków tesli — dlatego siedzi w każdym silniku bezszczotkowym i w każdym czujniku obrotów koła.
Rdzeń wprowadza się w nasycenie prądem przemiennym i śledzi asymetrię odpowiedzi: pole zewnętrzne przesuwa pętlę, a w uzwojeniu wtórnym pojawia się druga harmoniczna. Główny przyrząd geofizyki i statków kosmicznych, czuły do pikotesli.
Protony w próbce wody precesują z częstotliwością ściśle proporcjonalną do pola: 42,58 megaherca na teslę. Pomiar sprowadza się do pomiaru częstotliwości, a częstotliwość umiemy mierzyć najlepiej ze wszystkiego — stąd dokładność do milionowych części i rola metody wzorcowej.
Nadprzewodzący interferometr liczy kwanty strumienia magnetycznego i rozróżnia femtotesle — miliard razy mniej niż pole Ziemi. Działa tylko w kriostacie i w ekranowanym pomieszczeniu, ale pozwala zapisać pole magnetyczne mózgu.
05 · Tesla w działaniu
Gdzie jakie pole i czym jest groźne
Pięćdziesiąt mikrotesli to pole Ziemi; dziesięć razy tyle, pół militesli, to linia, za którą w pracowni rezonansu nie wpuszcza się osób z rozrusznikiem. Maluje się ją na podłodze.
Zwykła siła aparatu. W tym polu stalowego przedmiotu już nie utrzymasz ręką: przyciąganie rośnie szybciej, niż człowiek zdąży rozewrzeć palce.
Diamagnetyzm wody jest słaby, ale w takim polu wypycha ją na zewnątrz — na tyle, że kropla, konik polny i żaba wiszą w powietrzu.
Powyżej ciśnienie magnetyczne rozrywa uzwojenie od środka. Dalej zostają tylko urządzenia impulsowe, żyjące mikrosekundy.
Pole tomografu wciąga przedmiot ferromagnetyczny z siłą rosnącą w miarę zbliżania, dlatego utrzymać go niepodobna: ostatni metr butla pokonuje z prędkością samochodu. W 2001 roku w Nowym Jorku taka butla zabiła sześcioletniego chłopca leżącego w aparacie. Magnesu nie da się wyłączyć natychmiast — uzwojenie nadprzewodzące trzeba wygasić, odparowując ciekły hel, a przywrócenie zajmuje dni.
Woda jest słabo diamagnetyczna i w silnym niejednorodnym polu wypychana jest na zewnątrz. W holenderskim laboratorium w 1997 roku w polu szesnastu tesli lewitowały krople wody, konik polny i żaba — która, jak się zdaje, nie doznała żadnej szkody. Doświadczenie przyniosło Andre Geimowi Ig Nobla roku 2000, a dziesięć lat później ten sam badacz dostał Nobla za grafen.
06 · Zasady zapisu
T wielkie — małe t to tona
T wielkie — małe t to tona, a nazwa w tekście bieżącym idzie małą literą: tesla. Odmienia się jak zwykły rzeczownik: pięć tesli, choć pochodzi od nazwiska. Małe t obok to tona, wielkość zupełnie inna.
Oznaczenie wielkości to kursywne B, jednostki — proste T; oznaczenie rosyjskie to Тл. Gaus nie należy do SI: normy wprost zabraniają używać dwóch jednostek obok siebie w jednym dokumencie. Przedrostek mikro wymaga greckiego mi: µT, a nie uT. W medycynie siłę pola tomografu podaje się zwykle bez jednostki wcale — «półtorka», «trójka» — ale w dokumentacji pisze się ją w całości.
07 · Jednostki sąsiednie
Tesla to gęstość strumienia; pomnożona przez powierzchnię daje webera, a podzielona przez stałą magnetyczną — natężenie w amperach na metr. Gaus to ta sama wielkość w układzie CGS.
Spośród kart Simetrium z teslą sąsiadują weber jako strumień tej samej natury, gaus i erstedt z układu CGS, henr s amperem z obliczeń uzwojeń oraz herc, w którym wyraża się częstotliwość rezonansu.
08 · Dział historyczny
W czym mierzono pole przed teslą
Nikola Tesla pokazał, że trzy przesunięte w fazie prądy tworzą pole wirujące bez ruchomych części. Silnik asynchroniczny obszedł się bez komutatora i szczotek i wyparł prąd stały z przemysłu.
Edison bronił prądu stałego i nie wzdragał się przed publicznym rażeniem zwierząt prądem przemiennym, by dowieść jego groźby. Spór zamknęła elektrownia na Niagarze z 1895 roku: przesyłać energię na odległość umiał tylko prąd przemienny.
W laboratorium na wysokości dwóch kilometrów Tesla wyciągał sztuczne błyskawice długie na dziesiątki metrów i zapalał lampy bez drutu. Transformator rezonansowy noszący jego imię wszedł i do techniki, i do folkloru.
Jedenasta Konferencja Generalna, ta sama, która zatwierdziła samą nazwę «Międzynarodowy Układ Jednostek», nadała indukcji imię Tesli. Wynalazca nie żył już wtedy od siedemnastu lat, a umarł w nowojorskim hotelu, w długach.
Czterdzieści pięć i pół tesli to granica osiągnięta w Krajowym Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych: wkład nadprzewodzący wewnątrz magnesu rezystywnego. Urządzenia impulsowe dają do tysiąca tesli, ale niszczą przy tym własne uzwojenie w mikrosekundy.
U gwiazd neutronowych o najsilniejszym polu magnetycznym indukcja sięga setek gigatesli. Z odległości tysiąca kilometrów takie pole skasowałoby każdą kartę bankową, a z bliska rozciąga powłoki elektronowe atomów w cygara.
Pole, które rozrywa własne uzwojenie
Górną granicę pola magnetycznego wyznacza nie elektrotechnika, lecz wytrzymałość materiałów. Ciśnienie magnetyczne rośnie jak kwadrat indukcji: przy jednej tesli wynosi cztery atmosfery, przy dziesięciu czterysta, przy pięćdziesięciu już dziesięć tysięcy, co przekracza wytrzymałość miedzi. Dlatego magnesy stałe silniejsze niż czterdzieści pięć tesli istnieć nie mogą: uzwojenie rozerwie od środka. Urządzenia impulsowe omijają zakaz czasem — pole tysiąca tesli żyje mikrosekundy, zbyt krótko, by zniszczenie zdążyło się rozwinąć, a cewkę i tak trzeba wymieniać po każdym strzale. Samą teslę mierzy się najdokładniej przez częstotliwość: proton w polu precesuje z częstotliwością 42,577 megaherca na teslę, a krajowe wzorce indukcji to w istocie częstościomierze z ampułką wody. Samo gyromagnetyczne stosunek protonu znany jest do jedenastu cyfr, więc niepewność pomiaru pola wyznacza nie fizyka, lecz jednorodność magnesu.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 18 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
karta tesli otwartaJednostki podstawowe SI
terakotą — trzy jednostki, z których składa się teslaIndukcja magnetyczna w innych układach
Język karty
18 języków. Symbol T jest międzynarodowy, ale zwyczaj mierzenia w gausach trzyma się nierówno: w piśmiennictwie rosyjskim, japońskim i chińskim o materiałach magnetycznych jednostki CGS spotyka się do dziś.