เวเบอร์
หน่วยอนุพัทธ์ของ SI · ปริมาณ: ฟลักซ์แม่เหล็ก
01 · นิยาม
หนึ่งเวเบอร์คือฟลักซ์ซึ่งเมื่อหายไปในหนึ่งวินาทีจะเหนี่ยวนำหนึ่งโวลต์ในหนึ่งรอบ นิยามผ่านการเปลี่ยนแปลงไม่ใช่เรื่องบังเอิญ: ตัวฟลักซ์แม่เหล็กเองไม่สร้างอะไรเลย สิ่งที่ทำงานคือความเปลี่ยนแปลงของมันเท่านั้น วิศวกรรมพลังงานทั้งหมดตั้งอยู่บนสิ่งนี้ — เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง เตาแม่เหล็กไฟฟ้า ฟลักซ์เท่ากับความหนาแน่นฟลักซ์คูณพื้นที่: หนึ่งเทสลาต่อตารางเมตรก็คือหนึ่งเวเบอร์พอดี
จากตรงนี้จึงเกิดความต่างระหว่างเวเบอร์กับเทสลา ซึ่งเป็นสิ่งที่สับสนกันบ่อยที่สุด เทสลาคือความหนาแน่นฟลักซ์ ฟลักซ์ต่อตารางเมตร ส่วนเวเบอร์คือฟลักซ์ทั้งหมดผ่านเส้นรอบวงทั้งวง แม่เหล็กนีโอดิเมียมแรง ๆ ให้เกินหนึ่งเทสลาที่ผิว แต่ฟลักซ์ผ่านหน้าตัดเล็ก ๆ ของมันเป็นเพียงร้อยละส่วนของเวเบอร์ จะรวมให้ได้หนึ่งเวเบอร์เต็มต้องมีพื้นที่กว้างหรือสนามแรง: ห่วงพื้นที่หนึ่งตารางเมตรจับได้ในสนามโลกเพียงห้าสิบไมโครเวเบอร์
ห่วงสองห่วงในสนามสม่ำเสมออันเดียวกันเห็นความหนาแน่นฟลักซ์เป็นเทสลาเท่ากัน แต่เห็นฟลักซ์เป็นเวเบอร์ต่างกัน เพราะฟลักซ์แปรผันตามพื้นที่ จากตรงนี้จึงได้กฎการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย: จะเพิ่มแรงเคลื่อนไฟฟ้าก็ทำได้โดยเสริมสนาม ขยายห่วง เพิ่มจำนวนรอบ หรือหมุนให้เร็วขึ้น ข้อแรกถูกจำกัดด้วยการอิ่มตัวของเหล็กราวสองเทสลา ข้อสองกับข้อสามถูกจำกัดด้วยขนาดและความต้านทานของขดลวด เครื่องจักรอุตสาหกรรมจึงชนเข้ากับข้อที่สี่และทำงานที่รอบสูง
02 · การแปลงหน่วย
ใส่ฟลักซ์ — แผ่นข้อมูลจะแยกมันออกตามหน่วย
แมกซ์เวลล์คือหน่วยฟลักซ์ในระบบ CGS เล็กกว่าเวเบอร์หนึ่งร้อยล้านเท่า ในวรรณกรรมเก่าว่าด้วยเครื่องจักรไฟฟ้า การคำนวณทั้งหมดเดินด้วยแมกซ์เวลล์และเกาส์ การย้ายมาใช้เวเบอร์กับเทสลาเพิ่งเกิดในทศวรรษ 1960 วิศวกรนับเส้นแรงบนแบบกันตามตัวอักษรจริง ๆ: หนึ่งเส้น หนึ่งแมกซ์เวลล์ สำนวน «ฟลักซ์ของเส้น» ก็มาจากตรงนั้น
ในหม้อแปลง ฟลักซ์เป็นตัวกำหนดขนาด: แกนต้องทนโวลต์-วินาทีมากเท่าใด หน้าตัดก็ยิ่งใหญ่เท่านั้น จากตรงนี้เกิดกฎที่นักออกแบบทุกคนคุ้นเคย: หม้อแปลงไฟบ้านที่ห้าสิบเฮิรตซ์ใหญ่เป็นสองเท่าของหม้อแปลงกำลังเท่ากันที่ร้อยเฮิรตซ์ ส่วนแหล่งจ่ายแบบสวิตชิงที่ร้อยกิโลเฮิรตซ์ใช้แหวนเฟอร์ไรต์ขนาดเท่าเล็บก็พอ จะลดหน้าตัดได้ก็ด้วยการเพิ่มความถี่เท่านั้น — ไม่เช่นนั้นเหล็กจะเข้าสู่ภาวะอิ่มตัว ฟลักซ์จะหยุดโตตามกระแส และขดลวดจะไหม้
| หน่วย | ชื่อ | ค่า | พบที่ใด |
|---|---|---|---|
| Wb | เวเบอร์, หน่วยของ SI | 1 | หน่วยตั้งต้นของแผ่นข้อมูลนี้ |
| mWb | มิลลิเวเบอร์ | 1000 | อุปสรรคใช้งานของการคำนวณทางแม่เหล็ก |
| µWb | ไมโครเวเบอร์ | 1000000 | ต่ำลงไปกว่านั้นเริ่มเป็นดินแดนของ SQUID |
| nWb | นาโนเวเบอร์ | 10⁹ | ตรงนี้เวเบอร์มิเตอร์ยังทำงานได้อย่างมั่นใจ |
| V·s | โวลต์-วินาที | 1 | พูดอีกอย่างก็เรื่องเดียวกัน: เวเบอร์คือโวลต์-วินาที |
| T·m² | เทสลาต่อ m² | 1 | การเขียนถูกต้อง แต่ตั้งแต่ปี 1960 ปริมาณนี้มีชื่อของตัวเอง |
| Φ₀ | ควอนตัมฟลักซ์ | 4.836·10¹⁴ | h/2e — ค่าที่แน่นอนตามนิยามปี 2019 |
| Mx | แมกซ์เวลล์, CGS | 10⁸ | ในหนึ่งเวเบอร์มีหนึ่งร้อยล้านพอดี |
| kMx | กิโลแมกซ์เวลล์ | 100000 | จำนวนเท่าที่สะดวกสำหรับการคำนวณเครื่องจักร |
| G·cm² | เกาส์ต่อ cm² | 10⁸ | เหมือนแมกซ์เวลล์: เส้นหนึ่งเส้นบนหนึ่งตารางเซนติเมตร |
| line | เส้นแรง | 10⁸ | วิศวกรนับเส้นบนแบบทีละเส้น |
| Wb | เวเบอร์ | 1 | หน่วยตั้งต้นของแผ่นข้อมูลนี้ |
เวเบอร์คือใจกลางของสามหน่วยแม่เหล็ก: หารด้วยพื้นที่ได้เทสลา หารด้วยกระแสได้เฮนรี หารด้วยเวลาได้โวลต์
03 · อันดับของขนาด
จากควอนตัมฟลักซ์ถึงแม่เหล็กของเครื่องเร่งอนุภาคหนึ่งเวเบอร์: เครื่องจักรใหญ่ หรือแม่เหล็กแรงที่มีพื้นที่กว้าง
04 · เครื่องมือวัด
ฟลักซ์แม่เหล็กวัดด้วยอะไร
ขดเคลื่อนที่ที่มีโมเมนต์ความเฉื่อยมาก: ในช่วงพัลส์มันหมุนไม่ทัน การเหวี่ยงครั้งแรกจึงแปรผันตามประจุทั้งหมดที่ผ่านไป และประจุนั้นก็แปรผันตามการเปลี่ยนของฟลักซ์ เป็นเครื่องมือคลาสสิกของห้องปฏิบัติการแม่เหล็ก ซึ่งตัวอินทิเกรตอิเล็กทรอนิกส์เพิ่งมาเบียดออกไปในราวทศวรรษเจ็ดสิบ
ตัวอินทิเกรตอิเล็กทรอนิกส์: บวกแรงดันของขดลวดวัดตามเวลาแล้วให้โวลต์-วินาทีออกมาทันที ปัญหาใหญ่ที่สุดของมันคือการเลื่อนของศูนย์: ตัวอินทิเกรตสะสมออฟเซตของตัวขยายเองไปด้วย จึงต้องเริ่มการวัดด้วยการรีเซ็ตและทำให้เสร็จภายในไม่กี่วินาที
นำขดที่รู้พื้นที่ไปวางในสนาม แล้วกระชากออกทีเดียว หรือพลิกกลับหนึ่งร้อยแปดสิบองศา พัลส์แรงดันที่อินทิเกรตแล้วให้ฟลักซ์ทั้งหมดที่เคยผ่านมัน — เป็นวิธีตรงที่สุดที่จะวัดเวเบอร์จากนิยามของหน่วยเอง
ห่วงตัวนำยวดยิ่งที่มีรอยต่อโจเซฟสันสองแห่ง: ฟลักซ์ที่ผ่านมันเปลี่ยนได้เพียงเป็นส่วน ๆ ละสองเฟมโตเวเบอร์กับอีกนิด และเครื่องก็นับส่วนเหล่านั้น เป็นแมกนีโตมิเตอร์ที่ไวที่สุดเท่าที่มี — จับสนามแม่เหล็กของสมองที่กำลังทำงานได้
05 · กฎการเขียน
Wb — สองตัวอักษร และตัวที่สองเป็นตัวเล็ก
สัญลักษณ์เขียนติดกันเป็นชิ้นเดียว และอุปสรรคอยู่หน้าทั้งชิ้น: mWb, µWb ตัว W ใหญ่โดด ๆ ข้าง ๆ คือวัตต์ ซึ่งเป็นคนละปริมาณ ฟลักซ์เขียนแทนด้วยอักษรกรีก Φ และการเปลี่ยนของมันด้วย dΦ ในสูตรการเหนี่ยวนำเครื่องหมายลบเป็นสิ่งบังคับ มันแสดงกฎของเลนซ์
ฟลักซ์เชื่อมโยง — ฟลักซ์คูณจำนวนรอบ — วัดด้วยเวเบอร์เดียวกันแต่เขียนเป็น Ψ ในการคำนวณขดลวดจะสับสน Φ กับ Ψ ไม่ได้: ต่างกันถึงหลายร้อยเท่า สัญลักษณ์รัสเซียคือ Вб การเขียนว่า «เวเบอร์ต่อตารางเมตร» ถูกต้องทางเทคนิคและเท่ากับเทสลา แต่ไม่ควรใช้: ตั้งแต่ปี 1960 ปริมาณนี้มีชื่อของตัวเองแล้ว
06 · หน่วยข้างเคียง
เวเบอร์ผูกแม่เหล็กเข้ากับไฟฟ้า: หารด้วยพื้นที่ได้เทสลา หารด้วยกระแสได้เฮนรี และหาอนุพันธ์เทียบเวลาได้โวลต์
เวเบอร์ต่อตารางเมตร
ฟลักซ์แม่เหล็ก
เวเบอร์ต่อแอมแปร์
ใน แผ่นข้อมูลของ Simetrium สิ่งที่อยู่ติดกับเวเบอร์คือ เทสลา ในฐานะความหนาแน่นของฟลักซ์เดียวกัน เฮนรี จากนิยามของความเหนี่ยวนำ และ โวลต์ s หนึ่งวินาที ซึ่งเวเบอร์คือผลคูณของทั้งสอง และยัง แมกซ์เวลล์ และ เกาส์ — บรรพบุรุษของพวกมันในระบบ CGS
07 · ภาคประวัติ
ก่อนมีเวเบอร์วัดฟลักซ์กันด้วยอะไร
ฟาราเดย์พันขดลวดสองชุดบนวงแหวนเหล็ก แล้วสังเกตว่าเข็มของกัลวานอมิเตอร์กระตุกเฉพาะตอนที่ต่อและตัดกระแสเท่านั้น สนามที่คงที่ไม่ให้อะไรเลย — สิ่งที่ทำงานคือการเปลี่ยนของมัน
เวเบอร์ร่วมกับเกาส์สร้างโทรเลขแม่เหล็กไฟฟ้าเครื่องแรก และเป็นคนแรกที่ลดทอนการวัดทางไฟฟ้าให้เป็นการวัดเชิงกล หน่วยของฟลักซ์แม่เหล็กจึงมีชื่อของเขา
คณะกรรมาธิการระหว่างประเทศว่าด้วยเทคนิคไฟฟ้าตั้งชื่อหน่วยใช้งานของฟลักซ์ว่าเวเบอร์ ซึ่งเป็นจำนวนเท่าของแมกซ์เวลล์ตามกำลังของสิบ ที่ประชุมใหญ่นำมันเข้าสู่ระบบพร้อมกับโวลต์ แอมแปร์ และหน่วยไฟฟ้าที่เหลือ
ดีเวอร์กับแฟร์แบงก์ที่สแตนฟอร์ด และในเวลาเดียวกันดอลล์กับเนอเบาเออร์ที่มิวนิก วัดฟลักซ์ในทรงกระบอกตัวนำยวดยิ่งแล้วพบว่ามันเป็นจำนวนเท่าของส่วนแบ่งมูลฐาน เลขสองในตัวส่วนยืนยันว่าประจุถูกพาไปโดยคู่ของอิเล็กตรอน
ฟลักซ์เทออกเป็นเศษส่วนตามใจไม่ได้ — ธรรมชาติตวงมันเป็นส่วน ๆ
ฟลักซ์แม่เหล็กไม่ยอมให้วัดโดยตรง: เครื่องมือใดก็ตามไม่ได้ตอบสนองต่อตัวฟลักซ์เอง แต่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของมัน ดังนั้นจึงตัดฟลักซ์อย่างฉับพลันด้วยการกระชากขดลวดออก หรือพลิกขดลวดกลับ หรือดับกระแสในขดลวด แล้วอินทิเกรตพัลส์แรงดันที่เกิดขึ้น ความถูกต้องสัมบูรณ์ของการวัดเช่นนี้ถูกจำกัดด้วยการเลื่อนของตัวอินทิเกรตและด้วยการรู้พื้นที่ของรอบขด และน้อยครั้งจะดีกว่าหนึ่งในพัน การควอนไทซ์ของฟลักซ์ได้เปลี่ยนภาพนี้ไป: ในห่วงตัวนำยวดยิ่ง ฟลักซ์รับได้เฉพาะค่าที่เป็นจำนวนเท่าของ Φ₀ = h/2e และส่วนแบ่งนี้เป็นที่ทราบอย่างแน่นอน เพราะค่าคงตัวของพลังค์และประจุอิเล็กตรอนถูกกำหนดด้วยตัวเลขตั้งแต่ปี 2019 SQUID ที่นับส่วนแบ่งเช่นนี้แยกแยะการเปลี่ยนฟลักซ์ขนาดหนึ่งในล้านของควอนตัมได้ — ความไวที่ทำให้บันทึกสนามแม่เหล็กของหัวใจผ่านทรวงอก และของสมองผ่านกะโหลกได้ ทว่าตัวควอนตัมเองเล็กจนแทบไม่มีความหมาย: จะรวมให้ได้หนึ่งเวเบอร์ต้องใช้มันเกือบห้าร้อยล้านล้าน
สารบัญ · หน่วยวัด
แผ่นข้อมูลสำหรับทุกปริมาณ
หน่วยฐานเอสไอเจ็ดหน่วย หน่วยอนุพัทธ์ที่มีชื่อเฉพาะยี่สิบสองหน่วย และหน่วยนอกระบบที่ทั้งงานช่างและชีวิตประจำวันขาดไม่ได้ แต่ละหน่วยมีแผ่นของตน คือ นิยาม การแปลงหน่วย เครื่องมือ และกฎการเขียน ใน 36 ภาษา
หน่วยอนุพัทธ์เอสไอที่มีชื่อเฉพาะ
เปิดแผ่นข้อมูลของเวเบอร์อยู่หน่วยฐานเอสไอ
สีดินเผาคือสี่หน่วยที่ประกอบกันขึ้นเป็นเวเบอร์ฟลักซ์แม่เหล็กในระบบอื่น
ภาษาของแผ่นข้อมูล
36 ภาษา สัญลักษณ์ Wb เป็นสากล แต่ความเคยชินที่จะวัดเป็นแมกซ์เวลล์ยังอยู่ไม่เท่ากัน: ในวรรณกรรมภาษารัสเซียและภาษาญี่ปุ่นว่าด้วยวัสดุแม่เหล็ก ยังพบหน่วย CGS จนถึงทุกวันนี้