Тесла
В 1997 году в лаборатории сильных полей в Неймегене живая лягушка поднялась в воздух. Её никто не держал. Она висела внутри вертикальной трубы магнита на 16 T. Вода в теле лягушки слабо отталкивается от поля, и при такой силе отталкивание перевесило вес. Лягушке это не повредило, а Андрей Гейм и Майкл Берри получили за этот опыт Шнобелевскую премию.
Тесла — единица магнитной индукции. Она показывает, насколько плотно идёт магнитный поток: один тесла — это один вебер через квадратный метр. Поле Земли — около 50 µT. Магнит на холодильнике — несколько миллитесла. Томограф в больнице — 1,5 или 3 T.
| Обозначение | T |
| Определение | вебер на квадратный метр · Wb/m² · V·s/m² · kg·s⁻²·A⁻¹ |
| Опорные значения | протон в воде прецессирует с частотой 42,576 384 MHz на тесла · 1 T = 10⁴ G |
| Введена | в СИ с 1960 года, XI Генеральная конференция · в честь Николы Теслы |
| Стандарты | ISO 80000-6 · IEC 60050-121 · IEC 60601-2-33 · SI Brochure 9th ed. |
| Типичные значения | 50 µT — поле Земли · 3 T — томограф · 16 T — висит лягушка |
01 · Определение
Вебер на каждый квадратный метр
Магнитная индукция B показывает, насколько сильно поле толкает движущийся заряд. Сила Лоренца равна заряду, умноженному на скорость и на индукцию. Пусть заряд в один кулон летит поперёк поля 1 T со скоростью 1 m/s. Тогда на него действует сила 1 N. Так тесла выражается через механику.
Тот же тесла — плотность магнитного потока, вебер через квадратный метр. Поэтому поле мерят двумя способами. Можно смотреть, насколько оно отклоняет электроны в полупроводнике, — так работает датчик Холла. Можно мерить, с какой частотой в нём качаются протоны, — так работает ЯМР.
Как датчик замечает поле
Пластинка полупроводника, вид сверху. Ток 1 mA идёт слева направо, значит электроны — малиновые точки — бегут справа налево. Голубые кружки с точкой — поле, направленное на читателя: чем ярче, тем оно сильнее. Поле отклоняет электроны к верхнему краю. Там копится минус, внизу — плюс. Вольтметр справа меряет эту разность — напряжение Холла.
У магнитного поля две характеристики. Индукция B в теслах — то, что чувствует заряд или стрелка компаса. Напряжённость H в амперах на метр — то, что создают токи. В вакууме они связаны постоянной μ₀: полю 1 T соответствует 795 775 A/m. Внутри железа та же напряжённость даёт индукцию в тысячи раз больше.
Что делает поле, когда его становится всё больше
В середине — сверхпроводящий магнит в разрезе, с вертикальной трубой. Кружки в обмотке — витки с током: с точкой — ток на читателя, с крестиком — от читателя. Голубые пунктиры — линии поля. Внутри трубы они идут вверх, снаружи возвращаются вниз. Чем сильнее поле, тем их больше и тем они ярче. В трубу можно поставить феррожидкость, кювету с водой или каплю, а скрепку — на стол рядом. Справа три прибора: пучок электронов, протон в воде и компас в трёх метрах от магнита. Слева пульт: поле, ток в обмотке, энергия и запас жидкого гелия. Кнопка «Квенч» выключает сверхпроводимость обмотки. Время на сцене ускорено: настоящий магнит заряжают часами.
Поставьте в трубу феррожидкость и поднимите поле.
02 · Пересчёт
| Единица | Значение | Где встречается |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
1 T = 10 000 G. Старые паспорта магнитов пишут в гауссах: «3000 G» — это 0,3 T.
Геофизики считают в гаммах: 1 γ = 1 nT. Магнитная буря сдвигает поле Земли на сотни гамм.
Эрстед — единица напряжённости H, а не индукции. Только в вакууме 1 Oe соответствует 1 G.
03 · Порядки величин
04 · Приборы измерения
05 · Правила записи
06 · Соседние единицы
07 · Исторический раздел
Сильное поле точнее всего меряют частотой. Протоны в воде качаются вокруг линии поля, как волчки, и частота качания строго пропорциональна индукции. Для шарика воды при 25 °C коэффициент известен до девятого знака: 42,576 384 74 MHz на тесла. Прибор находит частоту отклика и делит её на это число. Так поле узнают с погрешностью в миллионные доли.
Слабые поля, до миллитеслы, задают катушками Гельмгольца. Это два одинаковых кольца на расстоянии радиуса друг от друга. Между ними поле почти однородно, и его считают по току, числу витков и радиусу. Ток меряют по квантовым эталонам, размеры — линейкой. Так получают эталонное поле, по которому поверяют феррозонды и датчики Холла.
Каталог величин
весь указатель →Семь основных единиц СИ
Капля кислоты меняет цвет сока, соль красит пламя, вода замерзает от стука. Под ними — все листы Simetrium по дисциплинам и по алфавиту.
Открыть указатель →