Tesla
Đơn vị dẫn xuất SI · đại lượng: mật độ từ thông
01 · Định nghĩa
Tesla là mật độ từ thông mà ở đó một từ thông một weber đi qua diện tích một mét vuông. Định nghĩa tương đương qua lực: trong trường một tesla, một dây dẫn dài một mét mang dòng một ampe chịu một lực một newton.
Đơn vị hoá ra lớn theo thước đo trong nhà và nhỏ theo thước đo thiên văn. Trường Trái Đất là năm mươi microtesla, nam châm học trò cho phần mười, đĩa neodymi ngay sát bề mặt vượt qua một; xa hơn nữa bắt đầu địa hạt kỹ thuật, nơi người ta đếm bằng đơn vị và hàng chục. Khoảng mà đại lượng này thực sự được dùng trải hai mươi ba bậc: từ femtotesla của từ trường một bộ não đang làm việc đến hàng trăm gigatesla ở bề mặt một magnetar, nơi trường bóp méo các lớp electron của nguyên tử và chân không thôi còn trống rỗng.
Ba cuộn dây lệch nhau một trăm hai mươi độ và được nuôi bằng những dòng lệch pha cùng mức tạo ra một trường quay trong không gian mà không một bộ phận nào chuyển động. Rôto của động cơ không đồng bộ chẳng cần cổ góp lẫn chổi than: trường cảm ứng dòng trong nó và kéo nó đi theo. Bằng sáng chế năm 1888 trở thành nền móng của toàn bộ kỹ thuật điện xoay chiều công nghiệp, và đến hôm nay chừng một nửa lượng điện của thế giới vẫn do chính những động cơ như thế tiêu thụ.
02 · Quy đổi
Nhập một mật độ từ thông — phiếu sẽ tách nó ra theo đơn vị
Gauss trụ lại bướng bỉnh hơn bất kỳ đơn vị CGS nào khác: địa vật lý, vật liệu từ và vật lý plasma dùng nó đến tận hôm nay. Một tesla đúng bằng mười nghìn gauss, hệ số là chính xác, nên quy đổi luôn đơn giản. Gamma là đơn vị của các nhà địa vật lý, bằng nanotesla: người ta đo dị thường từ bằng nó khi đi tìm quặng.
Tesla đo mật độ từ thông B, ampe trên mét đo cường độ H. Trong chân không chúng tỉ lệ qua hằng số từ; trong sắt chúng khác nhau hàng nghìn lần: thép làm mạnh trường, còn tính toán thì tiến hành theo H. Sự phụ thuộc ấy không tuyến tính, có vòng trễ, nên các dòng «A/m» và «oersted» trong bảng chỉ đúng cho chân không và không khí.
| Đơn vị | Tên | Giá trị | Gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| T | tesla, đơn vị SI | 1 | đơn vị xuất phát của phiếu này |
| mT | militesla | 1000 | một đại lượng trong nhà: phần trăm của tesla |
| µT | microtesla | 1000000 | nơi đây sống từ tính Trái Đất |
| nT | nanotesla | 10⁹ | cùng gamma ấy, chỉ là trong SI |
| fT | femtotesla | 10¹⁵ | mép dưới của cái đo được |
| Wb/m² | weber trên m² | 1 | vẫn điều ấy nói cách khác: tesla là weber trên mét vuông |
| A/m | cường độ H | 795775 | dòng này chỉ đúng cho chân không và không khí |
| G | gauss, CGS | 10000 | đúng mười nghìn trong một tesla — hệ số là chính xác |
| kG | kilogauss | 10 | một bội số tiện cho các trường trong phòng thí nghiệm |
| γ | gamma | 10⁹ | một phần trăm nghìn gauss, cũng bằng nanotesla |
| Oe | oersted | 10000 | bằng gauss về số trong chân không — từ đó mà lẫn |
| T | tesla | 1 | đơn vị xuất phát của phiếu này |
Tesla là mật độ từ thông: nhân với diện tích được weber, chia cho hằng số từ được cường độ tính bằng ampe trên mét
03 · Bậc độ lớn
hai mươi ba bậc: từ bộ não đến magnetarMột tesla: khe hở của một động cơ điện mạnh
04 · Dụng cụ đo
Mật độ từ thông được đo bằng gì
Dòng điện trong một tấm bán dẫn mỏng bị trường làm lệch, và trên các mặt bên của nó xuất hiện một điện áp tỉ lệ với mật độ từ thông. Rẻ, nhỏ, làm việc từ không đến hàng chục tesla — vì thế nó nằm trong mọi động cơ không chổi than và mọi cảm biến tốc độ bánh xe.
Người ta đẩy lõi vào bão hoà bằng dòng xoay chiều rồi theo dõi sự bất đối xứng của đáp ứng: trường ngoài dịch chuyển vòng lặp, và trong cuộn thứ cấp xuất hiện hoạ ba bậc hai. Dụng cụ chính của địa vật lý và của tàu vũ trụ, nhạy đến picotesla.
Các proton trong mẫu nước tuế sai với tần số tỉ lệ nghiêm ngặt với trường: 42,58 megahertz trên mỗi tesla. Phép đo quy về việc đo một tần số, mà tần số lại là thứ ta đo giỏi hơn cả — từ đó có độ chính xác cỡ phần triệu và vai trò của một phương pháp chuẩn.
Một giao thoa kế siêu dẫn đếm các lượng tử từ thông và phân biệt được femtotesla — nhỏ hơn trường Trái Đất một tỉ lần. Nó chỉ làm việc trong bình lạnh và trong phòng che chắn, nhưng cho phép ghi lại từ trường của bộ não.
05 · Tesla khi làm việc
Trường nào ở đâu và nguy hiểm ở chỗ nào
Năm mươi microtesla là trường Trái Đất; gấp mười lần nó, nửa militesla, là cái vạch mà qua đó người mang máy tạo nhịp tim không được vào phòng chụp cộng hưởng từ. Người ta vẽ nó trên sàn.
Sức thông thường của máy. Trong trường này một vật bằng thép không còn giữ được bằng tay nữa: lực hút lớn lên nhanh hơn người kịp mở ngón tay.
Tính nghịch từ của nước rất yếu, nhưng trong trường như thế nước bị đẩy ra ngoài — đến mức một giọt nước, một con châu chấu và một con ếch treo lơ lửng giữa không khí.
Trên mức ấy áp suất từ xé cuộn dây từ bên trong. Xa hơn chỉ còn các thiết bị xung, sống được vài micrô giây.
Trường của máy chụp hút vật sắt từ với một lực lớn dần khi nó lại gần, nên giữ lại là không thể: mét cuối cùng bình khí đi với tốc độ một chiếc ô tô. Năm 2001 tại New York, một bình như thế đã giết một cậu bé sáu tuổi nằm trong máy. Không thể tắt nam châm ngay tức khắc — phải dập cuộn siêu dẫn bằng cách cho heli lỏng bay hơi, và việc khôi phục mất nhiều ngày.
Nước nghịch từ yếu và trong trường mạnh không đồng đều thì bị đẩy ra ngoài. Trong một phòng thí nghiệm Hà Lan năm 1997, ở trường mười sáu tesla người ta đã làm cho giọt nước, một con châu chấu và một con ếch bay lơ lửng — con ếch, xem ra, chẳng hề hấn gì. Thí nghiệm đem lại cho Andre Geim giải Ig Nobel năm 2000, và mười năm sau chính nhà nghiên cứu ấy nhận Nobel về graphene.
06 · Quy tắc viết
T viết hoa — chữ t thường là tấn
T viết hoa — chữ t thường là tấn, còn tên trong văn xuôi viết thường: tesla. Số nhiều không đổi: năm tesla, và tên không viết hoa dù đến từ một họ người. Chữ t thường bên cạnh là tấn, một đại lượng hoàn toàn khác.
Ký hiệu của đại lượng là B nghiêng, của đơn vị là T đứng; ký hiệu tiếng Nga là Тл. Gauss không thuộc SI: các tiêu chuẩn cấm hẳn việc dùng hai đơn vị cạnh nhau trong cùng một văn bản. Tiền tố micro đòi chữ mu Hy Lạp: µT, không phải uT. Trong y học người ta thường nói sức trường của máy mà chẳng kèm đơn vị nào — «một rưỡi», «ba» — nhưng trong hồ sơ thì viết đủ.
07 · Các đơn vị lân cận
Tesla là mật độ từ thông; nhân với diện tích cho ra weber, còn chia cho hằng số từ cho ra cường độ tính bằng ampe trên mét. Gauss là cùng đại lượng ấy trong hệ CGS.
Trong các phiếu của Simetrium kề bên tesla là vêbe như từ thông cùng bản chất, gauss và oersted từ hệ CGS, henry s ampe từ việc tính toán cuộn dây, và héc, đơn vị dùng để biểu thị tần số cộng hưởng.
08 · Phần lịch sử
Trước tesla người ta đo trường bằng gì
Nikola Tesla đã chỉ ra rằng ba dòng lệch pha tạo nên một trường quay mà không cần bộ phận chuyển động nào. Động cơ không đồng bộ làm được mà chẳng cần cổ góp lẫn chổi than, và đã đuổi dòng một chiều khỏi công nghiệp.
Edison bênh vực dòng một chiều và không ngại hành quyết công khai loài vật bằng dòng xoay chiều để chứng tỏ nó nguy hiểm. Cuộc tranh cãi được khép lại bởi nhà máy điện Niagara năm 1895: chỉ dòng xoay chiều mới biết đưa năng lượng đi xa.
Trong một phòng thí nghiệm cao hai kilômét so với mặt biển, Tesla kéo những tia sét nhân tạo dài hàng chục mét và thắp đèn không cần dây. Máy biến áp cộng hưởng mang tên ông đi vào kỹ thuật và cũng đi vào chuyện dân gian như thế.
Hội nghị Toàn thể lần thứ mười một — chính hội nghị đã duyệt cái tên «Hệ đơn vị quốc tế» — đã trao cho mật độ từ thông cái tên của Tesla. Khi ấy nhà phát minh đã mất mười bảy năm, và ông chết trong một khách sạn ở New York, trong nợ nần.
Bốn mươi lăm phẩy năm tesla là giới hạn đã đạt tại Phòng thí nghiệm quốc gia về từ trường mạnh: một lõi siêu dẫn đặt bên trong một nam châm điện trở. Các thiết bị xung cho tới một nghìn tesla, nhưng phá huỷ chính cuộn dây của mình trong vài micrô giây.
Ở những ngôi sao neutron có từ trường mạnh nhất, mật độ từ thông đạt tới hàng trăm gigatesla. Cách xa một nghìn kilômét, một trường như thế cũng xoá được bất kỳ tấm thẻ ngân hàng nào, còn ở gần thì nó kéo các lớp electron của nguyên tử thành điếu xì gà.
Trường xé chính cuộn dây của mình
Giới hạn trên của từ trường không do kỹ thuật điện đặt ra mà do độ bền vật liệu. Áp suất từ lớn lên theo bình phương mật độ từ thông: ở một tesla là bốn atmosphere, ở mười là bốn trăm, ở năm mươi đã là mười nghìn, vượt quá độ bền của đồng. Vì thế nam châm vĩnh cửu mạnh hơn bốn mươi lăm tesla không thể tồn tại: cuộn dây sẽ bị xé từ bên trong. Các thiết bị xung lách lệnh cấm bằng thời gian — trường một nghìn tesla chỉ sống vài micrô giây, ngắn quá để sự huỷ hoại kịp lớn lên, mà cuộn vẫn phải thay sau mỗi lần bắn. Còn chính tesla thì đo chính xác nhất qua tần số: một proton tuế sai trong trường với 42,577 megahertz trên mỗi tesla, và các chuẩn quốc gia về mật độ từ thông thực chất là những máy đếm tần số kèm một ống nước. Tỉ số từ hồi chuyển của proton tự nó đã biết đến chữ số thứ mười một, nên độ không đảm bảo của một phép đo trường không do vật lý định ra mà do độ đồng đều của nam châm.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng, và những đơn vị ngoài hệ mà cả kỹ thuật lẫn đời thường đều không thể thiếu. Mỗi đơn vị một tờ riêng: định nghĩa, quy đổi, dụng cụ, quy tắc viết. Bằng 31 ngôn ngữ.
Đơn vị dẫn xuất SI có tên riêng
phiếu của tesla đang mởĐơn vị cơ bản của SI
màu đất nung — ba đơn vị làm nên teslaMật độ từ thông trong các hệ khác
Ngôn ngữ của phiếu
31 ngôn ngữ. Ký hiệu T mang tính quốc tế, nhưng thói quen đo bằng gauss trụ lại không đều: trong tài liệu tiếng Nga, tiếng Nhật và tiếng Trung về vật liệu từ, các đơn vị CGS vẫn gặp đến hôm nay.