01 · 定义
特斯拉就是这样的磁感应强度:一韦伯的磁通穿过一平方米的面积。通过力的等价定义:在一特斯拉的磁场里,一米长、通一安培电流的导体受到一牛顿的力。
这个单位按家常尺度算大了,按天体物理尺度又小了。地球磁场是五十微特斯拉,学校用的磁铁给零点几,钕磁片贴着表面就超过一;再往上就是技术的地界,那里按个位和十位数。这个量真正用得上的范围横跨二十三个数量级:从工作中大脑磁场的飞特斯拉,到磁星表面的几百吉特斯拉——那里磁场把原子的电子壳层扭歪,真空也不再是空的。
三组相隔一百二十度、由同样相移的电流供电的绕组,造出一个在空间里旋转、却没有一个运动部件的磁场。异步电动机的转子既不需要换向器也不需要电刷:磁场在它里面感应出电流,拖着它一起走。1888 年的专利成了整个工业交流电技术的根基,直到今天,全世界大约一半的电都由这类电机消耗。
02 · 换算
输入磁感应强度——档案会把它按单位拆开
高斯比任何别的 CGS 单位都守得更顽固:地球物理、磁性材料和等离子体物理至今还在用它。一特斯拉正好是一万高斯,系数是精确的,所以换算总是简单。伽马是地球物理学家的单位,等于纳特斯拉:找矿时就用它来量磁异常。
特斯拉量的是磁感应强度 B,安培每米量的是磁场强度 H。在真空中二者通过磁常数成正比;在铁里却相差上千倍:钢会加强磁场,而计算却用 H 来做。这个关系不是线性的,带磁滞回线,所以表里「A/m」和「奥斯特」两行只对真空和空气有效。
| 单位 | 名称 | 数值 | 常见于何处 |
|---|---|---|---|
| T | 特斯拉,SI 单位 | 1 | 本档案的出发单位 |
| mT | 毫特斯拉 | 1000 | 家常的量:百分之几特斯拉 |
| µT | 微特斯拉 | 1000000 | 地磁就住在这里 |
| nT | 纳特斯拉 | 10⁹ | 同样的伽马,只是在 SI 里 |
| fT | 飞特斯拉 | 10¹⁵ | 可测量的下边界 |
| Wb/m² | 每平方米韦伯 | 1 | 换句话说是同一回事:特斯拉就是每平方米韦伯 |
| A/m | 磁场强度 H | 795775 | 这一行只对真空和空气有效 |
| Gs | 高斯,CGS | 10000 | 一特斯拉里正好一万——系数是精确的 |
| kGs | 千高斯 | 10 | 便于实验室磁场计算的整齐倍数 |
| γ | 伽马 | 10⁹ | 十万分之一高斯,跟纳特斯拉一样 |
| Oe | 奥斯特 | 10000 | 在真空中数值等于高斯——混淆由此而来 |
| T | 特斯拉 | 1 | 本档案的出发单位 |
特斯拉是磁通密度:乘以面积得到韦伯,除以磁常数得到以安培每米计的磁场强度
03 · 数量级
二十三个数量级:从大脑到磁星一特斯拉:大功率电动机的气隙
04 · 测量仪器
用什么测量磁感应强度
薄半导体片里的电流被磁场偏转,片子的侧面就出现与磁感应强度成正比的电压。便宜、小巧,从零工作到几十特斯拉——所以每台无刷电机、每个轮速传感器里都有它。
用交变电流把铁芯推进饱和,再盯着响应的不对称:外磁场把磁滞回线推移,次级绕组里就出现二次谐波。地球物理和航天器的主力仪器,灵敏到皮特斯拉。
水样里的质子以严格正比于磁场的频率进动:每特斯拉 42.58 兆赫。测量就归结为测一个频率,而频率是我们最擅长测的——由此得到百万分之一的准确度和基准方法的地位。
超导干涉仪数着磁通量子,能分辨飞特斯拉——比地球磁场小十亿倍。它只在低温恒温器和屏蔽室里工作,却能把大脑的磁场记录下来。
05 · 特斯拉在工作
哪里是什么磁场,危险在哪
五十微特斯拉是地球磁场;十倍于它、也就是半毫特斯拉,是这样一条线:越过它,装了心脏起搏器的人就不许进磁共振室。这条线画在地板上。
机器的常规强度。在这个磁场里,钢制物件已经拿不住了:吸力增长得比人松开手指还快。
水的抗磁性很弱,可在这样的磁场里它会被推向外面——推到一滴水、一只蚱蜢和一只青蛙悬在空中。
再往上,磁压就会把绕组从内部撕开。更远处只剩下脉冲装置,它们只活微秒。
扫描仪的磁场吸引铁磁物体的力随靠近而增大,所以根本抓不住:最后一米,钢瓶是以汽车的速度飞过去的。2001 年在纽约,这样一只钢瓶砸死了躺在机器里的一个六岁男孩。磁体没法立刻关掉——必须让液氦蒸发把超导绕组失超,恢复要好几天。
水是弱抗磁的,在强而不均匀的磁场里会被推向外面。1997 年在荷兰的一间实验室里,十六特斯拉的磁场让水滴、一只蚱蜢和一只青蛙悬浮起来——那只青蛙看样子毫发无伤。这个实验为安德烈·海姆赢得了 2000 年的搞笑诺贝尔奖,十年之后同一位研究者因石墨烯获得了诺贝尔奖。
06 · 书写规则
T 大写——小写 t 是吨
T 大写——小写 t 是吨,而名称在正文里用小写:特斯拉。复数不变:五特斯拉,虽然来自姓氏,名称也不用大写。旁边孤零零一个小写 t 是吨,完全是另一个量。
量的符号是斜体 B,单位的符号是正体 T;俄文符号是 Тл。高斯不属于 SI:标准明确禁止在同一份文件里并用两种单位。词头微要用希腊字母 µ:µT,不是 uT。医学上说扫描仪的场强时通常干脆不带单位——「一点五」「三」——但文档里要写全。
08 · 历史部分
特斯拉之前用什么计量磁场
尼古拉·特斯拉证明,三个相位错开的电流能造出一个不靠运动部件就旋转的磁场。异步电动机省去了换向器和电刷,把直流电赶出了工业。
爱迪生维护直流电,为证明交流电危险,不惜当众用交流电处死动物。这场争论被 1895 年的尼亚加拉电站了结:能把能量送到远处的,只有交流电。
在海拔两千米的实验室里,特斯拉拉出几十米长的人造闪电,不用导线就点亮了灯。以他命名的谐振变压器既进入了技术,也进入了民间传说。
第十一届国际计量大会——正是批准「国际单位制」这个名称的那一届——把特斯拉的名字给了磁感应强度。那时发明家已经死了十七年,他死在纽约一家旅馆里,负债累累。
四十五点五特斯拉是国家强磁场实验室达到的极限:电阻磁体里嵌一段超导插件。脉冲装置能给到一千特斯拉,但在微秒之间就毁掉自己的绕组。
磁场最强的中子星,磁感应强度可达几百吉特斯拉。在一千公里之外,这样的磁场就能抹掉任何一张银行卡;靠近了,它把原子的电子壳层拉成雪茄。
撕开自己绕组的磁场
磁场的上限不是由电工技术定的,而是由材料的强度定的。磁压随磁感应强度的平方增长:一特斯拉时是四个大气压,十特斯拉时四百,五十特斯拉时已是一万,超过了铜的强度。所以强于四十五特斯拉的永磁体不可能存在:绕组会从内部被撕开。脉冲装置用时间绕开这条禁令——一千特斯拉的磁场只活微秒,短到来不及让破坏发展起来,而线圈每打一发之后照样得换。至于测量,特斯拉最精确的测法是通过频率:质子在磁场中以每特斯拉 42.577 兆赫进动,各国的磁感应强度基准实质上就是配一支水安瓿的频率计。质子的旋磁比本身已知到第十一位,所以一次磁场测量的不确定度不由物理决定,而由磁体的均匀程度决定。
目录 · 计量单位
每个量都有一份档案
七个国际单位制基本单位、二十二个有专名的导出单位,以及工程和日常都离不开的非国际制单位。每个单位一页:定义、换算、仪器、书写规则。共 31 种语言。
有专名的 SI 导出单位
特斯拉档案已打开SI 基本单位
赭色的是组成特斯拉的三个单位其他单位制里的磁感应强度
档案语言
31 种语言。符号 T 是国际通用的,可用高斯计量的习惯保留得并不均匀:在俄语、日语和汉语的磁性材料文献里,CGS 单位至今仍能碰到。