01 · 定義
特斯拉就是這樣的磁感應強度:一韋伯的磁通穿過一平方米的面積。透過力的等價定義:在一特斯拉的磁場裡,一米長、通一安培電流的導體受到一牛頓的力。
這個單位按家常尺度算大了,按天體物理尺度又小了。地球磁場是五十微特斯拉,學校用的磁鐵給零點幾,釹磁片貼著表面就超過一;再往上就是技術的地界,那裡按個位和十位數。這個量真正用得上的範圍橫跨二十三個數量級:從工作中大腦磁場的飛特斯拉,到磁星表面的幾百吉特斯拉——那裡磁場把原子的電子殼層扭歪,真空也不再是空的。
三組相隔一百二十度、由同樣相移的電流供電的繞組,造出一個在空間裡旋轉、卻沒有一個運動部件的磁場。非同步電動機的轉子既不需要換向器也不需要電刷:磁場在它裡面感應出電流,拖著它一起走。1888 年的專利成了整個工業交流電技術的根基,直到今天,全世界大約一半的電都由這類電機消耗。
02 · 換算
輸入磁感應強度——檔案會把它按單位拆開
高斯比任何別的 CGS 單位都守得更頑固:地球物理、磁性材料和等離子體物理至今還在用它。一特斯拉正好是一萬高斯,係數是精確的,所以換算總是簡單。伽馬是地球物理學家的單位,等於納特斯拉:找礦時就用它來量磁異常。
特斯拉量的是磁感應強度 B,安培每米量的是磁場強度 H。在真空中二者透過磁常數成正比;在鐵裡卻相差上千倍:鋼會加強磁場,而計算卻用 H 來做。這個關係不是線性的,帶磁滯回線,所以表裡「A/m」和「奧斯特」兩行只對真空和空氣有效。
| 單位 | 名稱 | 數值 | 常見於何處 |
|---|---|---|---|
| T | 特斯拉,SI 單位 | 1 | 本檔案的出發單位 |
| mT | 毫特斯拉 | 1000 | 家常的量:百分之幾特斯拉 |
| µT | 微特斯拉 | 1000000 | 地磁就住在這裡 |
| nT | 納特斯拉 | 10⁹ | 同樣的伽馬,只是在 SI 裡 |
| fT | 飛特斯拉 | 10¹⁵ | 可測量的下邊界 |
| Wb/m² | 每平方米韋伯 | 1 | 換句話說是同一回事:特斯拉就是每平方米韋伯 |
| A/m | 磁場強度 H | 795775 | 這一行只對真空和空氣有效 |
| Gs | 高斯,CGS | 10000 | 一特斯拉中正好一萬——係數是精確的 |
| kGs | 千高斯 | 10 | 便於實驗室磁場計算的整齊倍數 |
| γ | 伽馬 | 10⁹ | 十萬分之一高斯,跟納特斯拉一樣 |
| Oe | 奧斯特 | 10000 | 在真空中數值等於高斯——混淆由此而來 |
| T | 特斯拉 | 1 | 本檔案的出發單位 |
特斯拉是磁通密度:乘以面積得到韋伯,除以磁常數得到以安培每米計的磁場強度
03 · 數量級
二十三個數量級:從大腦到磁星一特斯拉:大功率電動機的氣隙
04 · 測量儀器
用什麼測量磁感應強度
薄半導體片裡的電流被磁場偏轉,片子的側面就出現與磁感應強度成正比的電壓。便宜、小巧,從零工作到幾十特斯拉——所以每臺無刷電機、每個輪速感測器裡都有它。
用交變電流把鐵芯推進飽和,再盯著響應的不對稱:外磁場把磁滯回線推移,次級繞組裡就出現二次諧波。地球物理和航天器的主力儀器,靈敏到皮特斯拉。
水樣裡的質子以嚴格正比於磁場的頻率進動:每特斯拉 42.58 兆赫。測量就歸結為測一個頻率,而頻率是我們最擅長測的——由此得到百萬分之一的準確度和標準方法的地位。
超導干涉儀數著磁通量子,能分辨飛特斯拉——比地球磁場小十億倍。它只在低溫恆溫器和遮蔽室裡工作,卻能把大腦的磁場記錄下來。
05 · 特斯拉在工作
哪裡是什麼磁場,危險在哪
五十微特斯拉是地球磁場;十倍於它、也就是半毫特斯拉,是這樣一條線:越過它,裝了心臟起搏器的人就不許進磁共振室。這條線畫在地板上。
機器的常規強度。在這個磁場裡,鋼製物件已經拿不住了:吸力增長得比人鬆開手指還快。
水的抗磁性很弱,可在這樣的磁場裡它會被推向外面——推到一滴水、一隻蚱蜢和一隻青蛙懸在空中。
再往上,磁壓就會把繞組從內部撕開。更遠處只剩下脈衝裝置,它們只活微秒。
掃描器的磁場吸引鐵磁物體的力隨靠近而增大,所以根本抓不住:最後一米,鋼瓶是以汽車的速度飛過去的。2001 年在紐約,這樣一隻鋼瓶砸死了躺在機器裡的一個六歲男孩。磁體沒法立刻關掉——必須讓液氦蒸發把超導繞組失超,恢復要好幾天。
水是弱抗磁的,在強而不均勻的磁場裡會被推向外面。1997 年在荷蘭的一間實驗室裡,十六特斯拉的磁場讓水滴、一隻蚱蜢和一隻青蛙懸浮起來——那隻青蛙看樣子毫髮無傷。這個實驗為安德烈·海姆贏得了 2000 年的搞笑諾貝爾獎,十年之後同一位研究者因石墨烯獲得了諾貝爾獎。
06 · 書寫規則
T 大寫——小寫 t 是噸
T 大寫——小寫 t 是噸,而名稱在正文裡用小寫:特斯拉。複數不變:五特斯拉,雖然來自姓氏,名稱也不用大寫。旁邊孤零零一個小寫 t 是噸,完全是另一個量。
量的符號是斜體 B,單位的符號是正體 T;俄文符號是 Тл。高斯不屬於 SI:標準明確禁止在同一份檔案裡並用兩種單位。詞頭微要用希臘字母 µ:µT,不是 uT。醫學上說掃描器的場強時通常乾脆不帶單位——「一點五」「三」——但文件裡要寫全。
08 · 歷史部分
特斯拉之前用什麼計量磁場
尼古拉·特斯拉證明,三個相位錯開的電流能造出一個不靠運動部件就旋轉的磁場。非同步電動機省去了換向器和電刷,把直流電趕出了工業。
愛迪生維護直流電,為證明交流電危險,不惜當眾用交流電處死動物。這場爭論被 1895 年的尼亞加拉電站了結:能把能量送到遠處的,只有交流電。
在海拔兩千米的實驗室裡,特斯拉拉出幾十米長的人造閃電,不用導線就點亮了燈。以他命名的諧振變壓器既進入了技術,也進入了民間傳說。
第十一屆國際計量大會——正是批准「國際單位制」這個名稱的那一屆——把特斯拉的名字給了磁感應強度。那時發明家已經死了十七年,他死在紐約一家旅館裡,負債累累。
四十五點五特斯拉是國家強磁場實驗室達到的極限:電阻磁體裡嵌一段超導外掛。脈衝裝置能給到一千特斯拉,但在微秒之間就毀掉自己的繞組。
磁場最強的中子星,磁感應強度可達幾百吉特斯拉。在一千公里之外,這樣的磁場就能抹掉任何一張銀行卡;靠近了,它把原子的電子殼層拉成雪茄。
撕開自己繞組的磁場
磁場的上限不是由電工技術定的,而是由材料的強度定的。磁壓隨磁感應強度的平方增長:一特斯拉時是四個大氣壓,十特斯拉時四百,五十特斯拉時已是一萬,超過了銅的強度。所以強於四十五特斯拉的永磁體不可能存在:繞組會從內部被撕開。脈衝裝置用時間繞開這條禁令——一千特斯拉的磁場只活微秒,短到來不及讓破壞發展起來,而線圈每打一發之後照樣得換。至於測量,特斯拉最精確的測法是透過頻率:質子在磁場中以每特斯拉 42.577 兆赫進動,各國的磁感應強度標準實質上就是配一支水安瓿的頻率計。質子的旋磁比本身已知到第十一位,所以一次磁場測量的不確定度不由物理決定,而由磁體的均勻程度決定。
目錄 · 計量單位
每個量都有一份檔案
七個國際單位制基本單位、二十二個有專名的導出單位,以及工程和日常都離不開的非國際制單位。每個單位一頁:定義、換算、儀器、書寫規則。共 31 種語言。
有專名的 SI 導出單位
特斯拉檔案已開啟SI 基本單位
赭色的是組成特斯拉的三個單位其他單位制裡的磁感應強度
檔案語言
31 種語言。符號 T 是國際通用的,可用高斯計量的習慣保留得並不均勻:在俄語、日語和漢語的磁性材料文獻裡,CGS 單位至今仍能碰到。