Тесла
Производная единица СИ · величина: магнитная индукция
01 · Определение
Тесла — магнитная индукция, при которой поток в один вебер проходит через площадку в один квадратный метр. Равносильное определение через силу: в поле одной тесла проводник длиной метр с током в ампер испытывает силу в один ньютон.
Единица получилась велика по бытовым меркам и мала по астрофизическим. Поле Земли — пятьдесят микротесла, школьный магнит — десятые доли, неодимовая шайба у самой поверхности переваливает за одну; дальше начинается техника, где счёт идёт единицами и десятками. Диапазон, в котором величина вообще применяется, охватывает двадцать три порядка: от фемтотесла магнитного поля работающего мозга до сотен гигатесла у поверхности магнетара, где поле искажает электронные оболочки атомов и вакуум перестаёт быть пустым.
Три обмотки, сдвинутые на сто двадцать градусов и питаемые токами с такой же сдвижкой фаз, создают поле, вращающееся в пространстве без единой движущейся детали. Ротор асинхронного двигателя не нуждается ни в коллекторе, ни в щётках: поле индуцирует в нём токи и увлекает за собой. Патент 1888 года лёг в основу всей промышленной электротехники переменного тока, и до сих пор около половины всего электричества в мире потребляют именно такие двигатели.
02 · Пересчёт
Введите индукцию — паспорт разложит её по единицам
Гаусс держится крепче любой другой единицы СГС: в геофизике, магнитных материалах и физике плазмы им пользуются до сих пор. Один тесла — ровно десять тысяч гауссов, коэффициент точный, поэтому пересчёт всегда простой. Гамма — единица геофизиков, равная нанотесле: ею меряют магнитные аномалии при поиске руд.
Тесла измеряет индукцию B, ампер на метр — напряжённость H. В вакууме они пропорциональны через магнитную постоянную, в железе различаются в тысячи раз: сталь усиливает поле, а расчёт ведут по H. Зависимость эта нелинейная, с петлёй гистерезиса, поэтому строки «А/м» и «эрстед» в таблице действительны только для вакуума и воздуха.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| T | тесла, единица СИ | 1 | исходная единица листа |
| mT | миллитесла | 1000 | бытовая величина: сотые доли тесла |
| µT | микротесла | 1000000 | здесь живёт земной магнетизм |
| nT | нанотесла | 10⁹ | та же гамма, только в СИ |
| fT | фемтотесла | 10¹⁵ | нижний край измеримого |
| Wb/m² | вебер на м² | 1 | то же самое другими словами: тесла и есть вебер на квадратный метр |
| А/м | напряжённость H | 795775 | строка верна только для вакуума и воздуха |
| Гс | гаусс, СГС | 10000 | ровно десять тысяч в тесле — коэффициент точный |
| кГс | килогаусс | 10 | удобная кратность для лабораторных полей |
| γ | гамма | 10⁹ | одна стотысячная гаусса, то же что нанотесла |
| Э | эрстед | 10000 | в вакууме численно равен гауссу — отсюда путаница |
| T | тесла | 1 | исходная единица листа |
Тесла — плотность потока: умножьте на площадь — получите вебер, разделите на магнитную постоянную — напряжённость в амперах на метр
03 · Порядки величин
двадцать три порядка: от мозга до магнетараОдна тесла: зазор мощного электродвигателя
04 · Приборы измерения
Чем измеряют магнитную индукцию
Ток в тонкой полупроводниковой пластинке отклоняется полем, и на её боковых гранях появляется напряжение, пропорциональное индукции. Дёшев, мал, работает от нуля до десятков тесла — потому и стоит в каждом бесколлекторном двигателе и датчике оборотов колеса.
Сердечник вводят в насыщение переменным током и следят за асимметрией отклика: внешнее поле сдвигает петлю, и во вторичной обмотке появляется вторая гармоника. Основной прибор геофизики и космических аппаратов, чувствительный до пикотесла.
Протоны в образце воды прецессируют с частотой, строго пропорциональной полю: 42,58 мегагерца на тесла. Измерение сводится к измерению частоты, а её умеют мерить точнее всего — отсюда точность до миллионных долей и роль эталонного метода.
Сверхпроводящий интерферометр считает кванты магнитного потока и различает фемтотесла — в миллиард раз меньше поля Земли. Работает только в криостате и внутри экранированной комнаты, зато позволяет записать магнитное поле мозга.
05 · Тесла в деле
Где какое поле и чем оно опасно
Пятьдесят микротесла — поле Земли; десять её величин, полмиллитесла, — та линия, за которую в кабинете МРТ не пускают людей с кардиостимулятором. Её рисуют на полу.
Обычная сила аппарата. На этом поле стальной предмет уже не удержать руками: притяжение растёт быстрее, чем человек успевает разжать пальцы.
Диамагнетизм воды слаб, но в таком поле её выталкивает наружу — настолько, что капля, кузнечик и лягушка повисают в воздухе.
Выше магнитное давление рвёт обмотку изнутри. Дальше идут только импульсные установки, живущие микросекунды.
Поле томографа втягивает ферромагнитный предмет с силой, растущей по мере приближения, поэтому удержать его невозможно: последний метр баллон проходит со скоростью автомобиля. В 2001 году в Нью-Йорке такой баллон убил шестилетнего мальчика, лежавшего в аппарате. Отключить магнит мгновенно нельзя — сверхпроводящую обмотку приходится гасить, испаряя жидкий гелий, и на восстановление уходят дни.
Вода слабо диамагнитна и в сильном неоднородном поле выталкивается наружу. В нидерландской лаборатории в 1997 году в поле шестнадцати тесла заставили левитировать капли воды, кузнечика и лягушку — та, судя по всему, никакого вреда не получила. Опыт принёс Андре Гейму Шнобелевскую премию 2000 года, а десять лет спустя тот же исследователь получил Нобелевскую за графен.
06 · Правила записи
T заглавная — строчная t это тонна
T заглавная — строчная t это тонна, название в тексте со строчной: тесла. Слово несклоняемое и женского рода: одна тесла, пять тесла, а не «пять тесл» и не «пять теслов». Строчная t — это тонна.
Обозначение величины — курсивная B, единицы — прямая T; русское обозначение Тл. Гаусс пишут Гс, а не G, в русских текстах, и он не входит в СИ: параллельное употребление двух единиц в одном документе стандарты прямо запрещают. Приставка микро- требует греческой мю: µT, а не uT. В медицине силу поля томографа принято указывать без единицы вовсе — «полуторка», «трёшка», — но в документации она пишется полностью.
07 · Соседние единицы
Тесла — плотность потока; умножив её на площадь, получают вебер, а разделив на магнитную постоянную — напряжённость в амперах на метр. Гаусс — та же величина в системе СГС.
Из паспортов Simetrium к тесла примыкают вебер как поток той же природы, гаусс и эрстед из системы СГС, генри с ампером из расчёта обмоток и герц, в котором выражают частоту резонанса.
08 · Исторический раздел
Чем измеряли поле до теслы
Никола Тесла показал, что три сдвинутых по фазе тока создают поле, вращающееся без движущихся частей. Асинхронный двигатель обошёлся без коллектора и щёток и вытеснил постоянный ток из промышленности.
Эдисон защищал постоянный ток и не гнушался публичных казней животных переменным, чтобы доказать его опасность. Спор закрыла Ниагарская электростанция 1895 года: передавать энергию на расстояние умел только переменный ток.
В лаборатории на высоте двух километров Тесла получал искусственные молнии длиной в десятки метров и зажигал лампы без провода. Резонансный трансформатор, носящий его имя, вошёл и в технику, и в фольклор.
Одиннадцатая Генеральная конференция, та же, что утвердила само название «Международная система единиц», дала индукции имя Теслы. К тому времени изобретатель уже семнадцать лет был мёртв, а умер он в нью-йоркском отеле в долгах.
Сорок пять с половиной тесла — предел, достигнутый в Национальной лаборатории сильных магнитных полей: сверхпроводящая вставка внутри резистивного магнита. Импульсные установки дают до тысячи тесла, но при этом разрушают собственную обмотку за микросекунды.
У нейтронных звёзд с сильнейшим магнитным полем индукция достигает сотен гигатесла. На расстоянии тысячи километров такое поле размагнитило бы любую банковскую карту, а вблизи оно вытягивает электронные оболочки атомов в сигары.
Поле, которое рвёт собственную обмотку
Верхний предел магнитного поля задаёт не электротехника, а прочность материалов. Магнитное давление растёт как квадрат индукции: при одной тесле оно составляет четыре атмосферы, при десяти — четыреста, при пятидесяти — уже десять тысяч, что превышает предел прочности меди. Поэтому постоянные магниты сильнее сорока пяти тесла существовать не могут: обмотку разорвёт изнутри. Импульсные установки обходят запрет временем — поле в тысячу тесла живёт микросекунды, за которые разрушение не успевает развиться, и катушку всё равно приходится менять после каждого выстрела. Измеряют же тесла точнее всего через частоту: протон в поле прецессирует со скоростью 42,577 мегагерца на тесла, и национальные эталоны индукции — это, по существу, частотомеры с ампулой воды. Само гиромагнитное отношение протона известно с точностью до одиннадцатого знака, так что неопределённость измерения поля определяется не физикой, а однородностью магнита.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 5 языках.
Производные СИ с собственным именем
открыт паспорт теслаБазовые единицы СИ
терракотой — три единицы, из которых складывается теслаМагнитная индукция в других системах
Язык паспорта
5 языков. Символ T международный, а вот привычка мерить в гауссах различается: в русскоязычной, японской и китайской литературе по магнитным материалам единицы СГС применяются до сих пор.