Tesla
Odvodená jednotka SI · veličina: magnetická indukcia
01 · Definícia
Tesla je magnetická indukcia, pri ktorej tok jedného weberu prechádza plochou jedného metra štvorcového. Rovnocenná definícia cez silu: v poli jednej tesly pôsobí na vodič dlhý meter s prúdom jedného ampéru sila jedného newtonu.
Jednotka vyšla veľká na domácu mieru a malá na astrofyzikálnu. Pole Zeme je päťdesiat mikrotesiel, školský magnet dáva desatiny, neodýmový kotúčik priamo pri povrchu prekračuje jednu; ďalej sa začína technika, kde sa počíta na jednotky a desiatky. Rozsah, v ktorom sa veličina vôbec používa, zahŕňa dvadsaťtri rádov: od femtotesly magnetického poľa pracujúceho mozgu po stovky gigatesiel pri povrchu magnetara, kde pole deformuje elektrónové obaly atómov a vákuum prestáva byť prázdne.
Tri vinutia posunuté o stodvadsať stupňov a napájané prúdmi s tým istým fázovým posunom vytvárajú pole, ktoré sa otáča v priestore bez jedinej pohyblivej časti. Rotor asynchrónneho motora nepotrebuje ani komutátor, ani kefky: pole v ňom indukuje prúdy a ťahá ho so sebou. Patent z roku 1888 sa stal základom celej priemyselnej elektrotechniky striedavého prúdu a dodnes asi polovicu všetkej elektriny na svete spotrebujú práve také motory.
02 · Prevod
Zadajte indukciu — list ju rozloží na jednotky
Gauss sa drží húževnatejšie než ktorákoľvek iná jednotka CGS: geofyzika, magnetické materiály a fyzika plazmy ho používajú dodnes. Jedna tesla je presne desaťtisíc gaussov, koeficient je presný, preto je prevod vždy jednoduchý. Gama je jednotka geofyzikov, rovná nanotesle: v nej sa merajú magnetické anomálie pri hľadaní rúd.
Tesla meria indukciu B, ampér na meter intenzitu H. Vo vákuu sú úmerné cez magnetickú konštantu; v železe sa líšia tisíckrát: oceľ pole zosilňuje, kým výpočet sa vedie v H. Táto závislosť nie je lineárna, má hysteréznu slučku, preto riadky «A/m» a «oersted» v tabuľke platia len pre vákuum a vzduch.
| Jednotka | Názov | Hodnota | Kde sa vyskytuje |
|---|---|---|---|
| T | tesla, jednotka SI | 1 | východisková jednotka tohto listu |
| mT | militesla | 1000 | domáca veličina: stotiny tesly |
| µT | mikrotesla | 1000000 | tu žije zemský magnetizmus |
| nT | nanotesla | 10⁹ | tá istá gama, len v SI |
| fT | femtotesla | 10¹⁵ | dolný okraj merateľného |
| Wb/m² | weber na m² | 1 | to isté inými slovami: tesla je weber na meter štvorcový |
| A/m | intenzita H | 795775 | riadok platí len pre vákuum a vzduch |
| G | gauss, CGS | 10000 | presne desaťtisíc v tesle — koeficient je presný |
| kG | kilogauss | 10 | pohodlný násobok pre laboratórne polia |
| γ | gama | 10⁹ | stotisícina gaussu, to isté čo nanotesla |
| Oe | oersted | 10000 | číselne rovný gaussu vo vákuu — odtiaľ zmätok |
| T | tesla | 1 | východisková jednotka tohto listu |
Tesla je hustota toku: vynásobte plochou a dostanete weber, vydeľte magnetickou konštantou a dostanete intenzitu v ampéroch na meter
03 · Rády veličín
dvadsaťtri rádov: od mozgu k magnetaruJedna tesla: vzduchová medzera výkonného elektromotora
04 · Meracie prístroje
Čím sa meria magnetická indukcia
Prúd v tenkej polovodičovej doštičke je poľom odklonený a na jej bočných stenách sa objaví napätie úmerné indukcii. Lacná, malá, pracuje od nuly do desiatok tesiel — preto sedí v každom bezkefkovom motore a v každom snímači otáčok kolesa.
Jadro sa striedavým prúdom uvádza do nasýtenia a sleduje sa asymetria odozvy: vonkajšie pole posunie slučku a v sekundárnom vinutí sa objaví druhá harmonická. Hlavný prístroj geofyziky a kozmických lodí, citlivý až do pikotesly.
Protóny vo vzorke vody precesujú s frekvenciou prísne úmernou poľu: 42,58 megahertzu na teslu. Meranie sa redukuje na meranie frekvencie, a frekvenciu vieme merať najlepšie zo všetkého — odtiaľ presnosť na milióntiny a rola porovnávacej metódy.
Supravodivý interferometer počíta kvantá magnetického toku a rozlíši femtoteslu — miliardkrát menej než pole Zeme. Pracuje len v kryostate a v odtienenej miestnosti, zato dovoľuje zapísať magnetické pole mozgu.
05 · Tesla v akcii
Kde aké pole je a čím je nebezpečné
Päťdesiat mikrotesiel je pole Zeme; desaťkrát toľko, pol militesly, je čiara, za ktorú sa do miestnosti s tomografom nepúšťajú ľudia s kardiostimulátorom. Maľuje sa na podlahu.
Obvyklá sila prístroja. V tomto poli oceľový predmet už rukou neudržíte: príťažlivosť rastie rýchlejšie, než človek stihne roztvoriť prsty.
Diamagnetizmus vody je slabý, ale v takom poli je vytláčaná von — natoľko, že kvapka, kobylka a žaba visia vo vzduchu.
Nad tým magnetický tlak trhá vinutie zvnútra. Ďalej ostávajú len impulzné zariadenia, žijúce mikrosekundy.
Pole tomografu vťahuje feromagnetický predmet silou rastúcou s približovaním, a preto ho nemožno udržať: posledný meter prejde fľaša rýchlosťou auta. V roku 2001 v New Yorku taká fľaša zabila šesťročného chlapca ležiaceho v prístroji. Magnet nemožno vypnúť okamžite — supravodivé vinutie treba zhasiť odparením tekutého hélia a obnova trvá dni.
Voda je slabo diamagnetická a v silnom nerovnorodom poli je vytláčaná von. V holandskom laboratóriu v roku 1997 v poli šestnástich tesiel prinútili levitovať kvapky vody, kobylku a žabu — tá podľa všetkého neutrpela žiadnu ujmu. Pokus priniesol Andremu Geimovi Ig Nobelovu cenu roku 2000 a o desať rokov neskôr ten istý bádateľ dostal Nobelovu cenu za grafén.
06 · Pravidlá zápisu
T veľké — malé t je tona
T veľké — malé t je tona, a názov v bežnom texte sa píše malým: tesla. Skloňuje sa ako obyčajné slovo: päť tesiel, hoci pochádza z priezviska. Malé t vedľa je tona, veličina celkom iná.
Značka veličiny je kurzívne B, jednotky vzpriamené T; ruská značka je Тл. Gauss do SI nepatrí: normy výslovne zakazujú používať dve jednotky vedľa seba v jednom dokumente. Predpona mikro vyžaduje grécke mí: µT, nie uT. V medicíne sa sila poľa tomografu udáva obyčajne celkom bez jednotky — «jedenapolka», «trojka» — ale v dokumentácii sa píše celá.
07 · Susedné jednotky
Tesla je hustota toku; vynásobená plochou dáva weber a vydelená magnetickou konštantou intenzitu v ampéroch na meter. Gauss je tá istá veličina v sústave CGS.
Z listov Simetria k tesle susedia weber ako tok tej istej povahy, gauss a oersted zo sústavy CGS, henry s ampérom z výpočtu vinutí a hertz, v ktorom sa vyjadruje rezonančná frekvencia.
08 · Historický oddiel
V čom sa pole meralo pred teslou
Nikola Tesla ukázal, že tri fázovo posunuté prúdy vytvárajú pole, ktoré sa otáča bez pohyblivých častí. Asynchrónny motor sa zaobišiel bez komutátora a kefiek a vytlačil jednosmerný prúd z priemyslu.
Edison hájil jednosmerný prúd a neštítil sa verejne popravovať zvieratá striedavým, aby dokázal jeho nebezpečnosť. Spor uzavrela Niagarská elektráreň z roku 1895: prenášať energiu na diaľku vedel len striedavý prúd.
V laboratóriu dva kilometre nad morom Tesla ťahal umelé blesky dlhé desiatky metrov a rozsvecoval lampy bez drôtu. Rezonančný transformátor nesúci jeho meno prešiel do techniky aj do ľudových rozprávaní.
Jedenásta Generálna konferencia, tá istá, čo schválila samo meno «Medzinárodná sústava jednotiek», dala indukcii meno Teslovo. Vynálezca bol vtedy už sedemnásť rokov mŕtvy a zomrel v newyorskom hoteli, v dlhoch.
Štyridsaťpäť a pol tesly je hranica dosiahnutá v Národnom laboratóriu silných magnetických polí: supravodivá vložka vnútri rezistívneho magnetu. Impulzné zariadenia dávajú až tisíc tesiel, ale ničia pritom vlastné vinutie za mikrosekundy.
U neutrónových hviezd s najsilnejším magnetickým poľom dosahuje indukcia stovky gigatesiel. Na vzdialenosť tisíc kilometrov by také pole zmazalo akúkoľvek platobnú kartu a zblízka naťahuje elektrónové obaly atómov do cigár.
Pole, ktoré trhá vlastné vinutie
Hornú hranicu magnetického poľa neurčuje elektrotechnika, ale pevnosť materiálov. Magnetický tlak rastie ako druhá mocnina indukcie: pri jednej tesle je to štyri atmosféry, pri desiatich štyristo, pri päťdesiatich už desaťtisíc, čo prekračuje pevnosť medi. Preto permanentné magnety silnejšie než štyridsaťpäť tesiel jestvovať nemôžu: vinutie by roztrhlo zvnútra. Impulzné zariadenia obchádzajú zákaz časom — pole tisíca tesiel žije mikrosekundy, príliš krátko, aby sa skaza stihla rozvinúť, a cievku treba aj tak vymeniť po každom výstrele. Samu teslu meriame najpresnejšie cez frekvenciu: protón v poli precesuje s frekvenciou 42,577 megahertzu na teslu, a národné etalóny indukcie sú v podstate čítače frekvencie s ampulkou vody. Samotný gyromagnetický pomer protónu je známy na jedenásť číslic, takže neistotu merania poľa neurčuje fyzika, ale rovnorodosť magnetu.
Katalóg · meracie jednotky
List pre každú veličinu
Sedem základných jednotiek SI, dvadsaťdva odvodených s vlastnými názvami a jednotky mimo sústavy, bez ktorých sa nezaobíde technika ani bežný život. Každá má svoj list: definícia, prevod, prístroje, pravidlá zápisu. V 18 jazykoch.
Odvodené jednotky SI s vlastným názvom
otvorený list teslyZákladné jednotky SI
terakotou — tri jednotky, z ktorých sa tesla skladáMagnetická indukcia v iných sústavách
Jazyk listu
18 jazykov. Značka T je medzinárodná, ale zvyk merať v gaussoch sa drží nerovnomerne: v ruskej, japonskej a čínskej literatúre o magnetických materiáloch sa jednotky CGS stretávajú dodnes.