میدان مغناطیسی زمین در سطح حدود 25-65 میکروتسلا (0.25-0.65 گاوس) است - که برای منحرف کردن سوزن قطب‌نما کافی است

یک آهنربای یخچال در سطح خود حدود 0.001 تسلا (10 گاوس) تولید می‌کند

دستگاه‌های MRI از 1.5 تا 7 تسلا استفاده می‌کنند - تا 140,000 برابر قوی‌تر از میدان زمین!

قوی‌ترین میدان مغناطیسی پیوسته که تاکنون در آزمایشگاه ایجاد شده است: 45.5 تسلا (دانشگاه ایالتی فلوریدا)

ستاره‌های نوترونی میدان‌های مغناطیسی تا 100 میلیون تسلا دارند - قوی‌ترین در جهان

مغز انسان میدان‌های مغناطیسی حدود 1-10 پیکوتسلا تولید می‌کند که با اسکن‌های MEG قابل اندازه‌گیری است

قطارهای مگلو از میدان‌های مغناطیسی 1-4 تسلا برای شناور کردن و به حرکت درآوردن قطارها با سرعت بیش از 600 کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کنند

1 تسلا = 10,000 گاوس دقیقاً (رابطه تعریف شده بین سیستم‌های SI و CGS)

تعریف: واحد SI چگالی شار مغناطیسی. 1 T = 1 وبر/متر مربع = 1 کیلوگرم/(آمپر·ثانیه مربع)

نامگذاری شده به افتخار: نیکولا تسلا (1856-1943)، مخترع و مهندس برق

کاربرد: دستگاه‌های MRI، آهن‌رباهای تحقیقاتی، مشخصات موتور

مقادیر معمول: زمین: 50 µT | آهنربای یخچال: 10 mT | MRI: 1.5-7 T

تعریف: واحد CGS چگالی شار مغناطیسی. 1 G = 10⁻⁴ T = 100 µT

نامگذاری شده به افتخار: کارل فردریش گاوس (1777-1855)، ریاضیدان و فیزیکدان

کاربرد: تجهیزات قدیمی، ژئوفیزیک، گاوس‌مترهای صنعتی

مقادیر معمول: زمین: 0.5 G | آهنربای بلندگو: 1-2 G | آهنربای نئودیمیوم: 1000-3000 G

تعریف: واحد SI شدت میدان مغناطیسی. جریان در واحد طول که میدان را ایجاد می‌کند.

کاربرد: طراحی الکترومغناطیس، محاسبات سیم‌پیچ، آزمایش مواد مغناطیسی

مقادیر معمول: زمین: 40 A/m | سلونوئید: 1000-10000 A/m | آهنربای صنعتی: 100 kA/m

تعریف: واحد CGS شدت میدان مغناطیسی. 1 Oe = 79.5775 A/m

نامگذاری شده به افتخار: هانس کریستین اورستد (1777-1851)، کاشف الکترومغناطیس

کاربرد: ضبط مغناطیسی، مشخصات آهنرباهای دائمی، حلقه‌های پسماند

مقادیر معمول: وادارندگی دیسک سخت: 2000-4000 Oe | آهنربای دائمی: 500-2000 Oe

تعریف: یک میلیونیم تسلا. 1 µT = 10⁻⁶ T = 0.01 G

کاربرد: ژئوفیزیک، ناوبری، اندازه‌گیری‌های EMF، بیومغناطیس

مقادیر معمول: میدان زمین: 25-65 µT | مغز (MEG): 0.00001 µT | خطوط برق: 1-10 µT

تعریف: برابر با 1 نانوتسلا. 1 γ = 1 nT = 10⁻⁹ T. در ژئوفیزیک استفاده می‌شود.

کاربرد: بررسی‌های مغناطیسی، باستان‌شناسی، اکتشاف مواد معدنی

مقادیر معمول: تشخیص ناهنجاری مغناطیسی: 1-100 γ | تغییر روزانه: ±30 γ

الکترومغناطیس

در حین یک نمایش درسی، اورستد متوجه شد که سوزن قطب‌نما در نزدیکی یک سیم حامل جریان منحرف می‌شود. این اولین مشاهده‌ای بود که الکتریسیته و مغناطیس را به هم مرتبط می‌کرد. او یافته‌های خود را به زبان لاتین منتشر کرد و در عرض چند هفته، دانشمندان در سراسر اروپا این آزمایش را تکرار می‌کردند.

ثابت کرد که جریان‌های الکتریکی میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌کنند و زمینه الکترومغناطیس را پایه‌گذاری کرد

القای الکترومغناطیسی

فارادی کشف کرد که میدان‌های مغناطیسی متغیر جریان‌های الکتریکی ایجاد می‌کنند. حرکت یک آهنربا در یک سیم‌پیچ، الکتریسیته تولید می‌کرد - اصلی که امروزه پشت هر ژنراتور و ترانسفورماتور الکتریکی قرار دارد.

تولید برق، ترانسفورماتورها و شبکه برق مدرن را ممکن ساخت

نظریه الکترومغناطیسی یکپارچه

معادلات ماکسول الکتریسیته، مغناطیس و نور را در یک نظریه واحد ادغام کردند. او مفاهیم میدان B و میدان H را به عنوان کمیت‌های مجزا معرفی کرد و نشان داد که نور یک موج الکترومغناطیسی است.

امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد که منجر به رادیو، رادار و ارتباطات بی‌سیم شد

قانون نیروی لورنتز

نیروی وارد بر یک ذره باردار متحرک در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را توصیف کرد: F = q(E + v × B). این فرمول برای درک نحوه کار موتورها، شتاب‌دهنده‌های ذرات و لامپ‌های پرتوی کاتدی اساسی است.

پایه‌ای برای درک حرکت ذرات در میدان‌ها، طیف‌سنجی جرمی و فیزیک پلاسما

ابررسانایی

با سرد کردن جیوه تا 4.2 کلوین، اونس کشف کرد که مقاومت الکتریکی آن به طور کامل از بین می‌رود. ابررساناها میدان‌های مغناطیسی را دفع می‌کنند (اثر مایسنر)، که امکان ساخت آهن‌رباهای فوق‌العاده قوی با اتلاف انرژی صفر را فراهم می‌کند.

منجر به دستگاه‌های MRI، قطارهای مگلو و آهن‌رباهای شتاب‌دهنده ذرات شد که میدان‌های بیش از 10 تسلا تولید می‌کنند

اولین لیزر

اگرچه مستقیماً در مورد مغناطیس نبود، لیزرها اندازه‌گیری‌های دقیق میدان مغناطیسی را از طریق اثرات مغناطیسی-اپتیکی مانند چرخش فارادی و اثر زیمان ممکن ساختند.

سنجش میدان مغناطیسی، جداکننده‌های نوری و ذخیره‌سازی داده‌های مغناطیسی را متحول کرد

تصویربرداری پزشکی MRI

دامادیان کشف کرد که بافت سرطانی زمان‌های استراحت مغناطیسی متفاوتی نسبت به بافت سالم دارد. این امر منجر به MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی) شد که از میدان‌های 1.5-7 تسلا برای ایجاد اسکن‌های دقیق بدن بدون تابش استفاده می‌کند.

تشخیص پزشکی را متحول کرد و امکان تصویربرداری غیرتهاجمی از بافت‌های نرم، مغز و اندام‌ها را فراهم آورد

نتیجه: غلط

هر دو یک چیز را اندازه‌گیری می‌کنند (میدان B/چگالی شار)، فقط در سیستم‌های واحد متفاوت. تسلا SI است، گاوس CGS است. 1 T = 10,000 G دقیقاً. آنها به اندازه متر و فوت قابل تعویض هستند.

نتیجه: مشروط

فقط در خلاء/هوا درست است! در مواد مغناطیسی، تبدیل به نفوذپذیری μᵣ بستگی دارد. در آهن (μᵣ~2000)، 1000 A/m 2.5 تسلا ایجاد می‌کند، نه 0.00126 تسلا. همیشه هنگام تبدیل B ↔ H فرض خود را بیان کنید.

نتیجه: عمدتاً غلط

میدان‌های مغناطیسی ایستا تا 7 تسلا (دستگاه‌های MRI) ایمن در نظر گرفته می‌شوند. بدن شما نسبت به میدان‌های مغناطیسی ایستا شفاف است. نگرانی در مورد میدان‌های بسیار سریع متغیر (جریان‌های القایی) یا میدان‌های بالای 10 تسلا وجود دارد. میدان 50 µT زمین کاملاً بی‌ضرر است.

نتیجه: مبهم

گیج‌کننده! در فیزیک، «شدت میدان مغناطیسی» به طور خاص به میدان H (A/m) اشاره دارد. اما در زبان عامیانه، مردم می‌گویند «میدان مغناطیسی قوی» به معنای میدان B بالا (تسلا). همیشه روشن کنید: میدان B یا میدان H؟

نتیجه: غلط (اما نزدیک)

در خلاء: 1 Oe ≈ 1 G از نظر عددی، اما آنها کمیت‌های متفاوتی را اندازه‌گیری می‌کنند! اورستد میدان H (نیروی مغناطیس‌کننده) را اندازه‌گیری می‌کند، گاوس میدان B (چگالی شار) را اندازه‌گیری می‌کند. این مانند اشتباه گرفتن نیرو با انرژی است - آنها به طور اتفاقی اعداد مشابهی در هوا دارند، اما از نظر فیزیکی متفاوت هستند.

نتیجه: بستگی دارد

الکترومغناطیس‌های معمولی: 0.1-2 T. آهن‌رباهای نئودیمیوم: میدان سطحی 1-1.4 T. اما الکترومغناطیس‌های ابررسانا می‌توانند به بیش از 20 تسلا برسند که بسیار فراتر از هر آهنربای دائمی است. الکترومغناطیس‌ها برای میدان‌های شدید برنده می‌شوند؛ آهن‌رباهای دائمی برای فشردگی و عدم مصرف برق برنده می‌شوند.

نتیجه: غلط

میدان‌های مغناطیسی به راحتی از اکثر مواد عبور می‌کنند! فقط ابررساناها به طور کامل میدان‌های B را دفع می‌کنند (اثر مایسنر)، و مواد با نفوذپذیری بالا (مو-متال) می‌توانند خطوط میدان را تغییر مسیر دهند. به همین دلیل است که محافظت مغناطیسی دشوار است - شما نمی‌توانید فقط میدان‌ها را مانند میدان‌های الکتریکی «مسدود» کنید.

محدوده: 1 µT تا 10 T

دقت: ±1-5%

اندازه‌گیری می‌کند: میدان B (تسلا/گاوس)

رایج‌ترین. یک تراشه نیمه‌هادی که ولتاژی متناسب با میدان B خروجی می‌دهد. در گوشی‌های هوشمند (قطب‌نما)، گاوس‌مترها و سنسورهای موقعیت استفاده می‌شود.

مزایا: ارزان، فشرده، میدان‌های ایستا را اندازه‌گیری می‌کند

معایب: حساس به دما، دقت محدود

محدوده: 0.1 nT تا 1 mT

دقت: ±0.1 nT

اندازه‌گیری می‌کند: میدان B (تسلا)

از اشباع یک هسته مغناطیسی برای تشخیص تغییرات کوچک میدان استفاده می‌کند. در ژئوفیزیک، ناوبری و مأموریت‌های فضایی استفاده می‌شود.

مزایا: بسیار حساس، عالی برای میدان‌های ضعیف

معایب: نمی‌تواند میدان‌های بالا را اندازه‌گیری کند، گران‌تر است

محدوده: 1 fT تا 1 mT

دقت: ±0.001 nT

اندازه‌گیری می‌کند: میدان B (تسلا)

حساس‌ترین مغناطیس‌سنج. نیاز به خنک‌سازی با هلیوم مایع دارد. در اسکن‌های مغزی MEG و تحقیقات فیزیک بنیادی استفاده می‌شود.

مزایا: حساسیت بی‌نظیر (فمتوتسلا!)

معایب: نیاز به خنک‌سازی کرایوژنیک دارد، بسیار گران است

محدوده: 10 µT تا 10 T

دقت: ±2-10%

اندازه‌گیری می‌کند: تغییر در میدان B (dB/dt)

سیم‌پیچی که با تغییر شار، ولتاژ تولید می‌کند. نمی‌تواند میدان‌های ایستا را اندازه‌گیری کند - فقط میدان‌های متناوب یا متحرک.

مزایا: ساده، مقاوم، قادر به کار با میدان‌های بالا

معایب: فقط میدان‌های متغیر را اندازه‌گیری می‌کند، نه میدان مستقیم

محدوده: 1 A تا 1 MA

دقت: ±1%

اندازه‌گیری می‌کند: جریان (مرتبط با میدان H)

جریان متناوب را با تشخیص میدان مغناطیسی که ایجاد می‌کند، اندازه‌گیری می‌کند. بدون تماس به دور یک هادی پیچیده می‌شود.

مزایا: غیرتهاجمی، محدوده دینامیکی وسیع

معایب: فقط جریان متناوب، میدان را مستقیماً اندازه‌گیری نمی‌کند

تسلا (T) واحد SI است، گاوس (G) واحد CGS است. 1 تسلا = 10,000 گاوس دقیقاً. تسلا برای کاربردهای علمی و پزشکی ترجیح داده می‌شود، در حالی که گاوس هنوز در ادبیات قدیمی و برخی زمینه‌های صنعتی رایج است.

فقط در خلاء/هوا! در خلاء: B (تسلا) = μ₀ × H (A/m) که در آن μ₀ = 4π×10⁻⁷ ≈ 1.257×10⁻⁶ T·m/A است. در مواد مغناطیسی مانند آهن، به نفوذپذیری نسبی ماده (μᵣ) نیاز دارید که می‌تواند از 1 تا 100,000+ باشد. مبدل ما خلاء را فرض می‌کند.

میدان B (چگالی شار) نیروی مغناطیسی واقعی تجربه شده را اندازه‌گیری می‌کند، از جمله اثرات ماده. میدان H (شدت میدان) نیروی مغناطیس‌کننده‌ای که میدان را ایجاد می‌کند، مستقل از ماده، اندازه‌گیری می‌کند. در خلاء B = μ₀H، اما در مواد B = μ₀μᵣH که در آن μᵣ بسیار متغیر است.

میدان زمین در سطح از 25-65 میکروتسلا (0.25-0.65 گاوس) متغیر است. در استوا ضعیف‌ترین (~25 µT) و در قطب‌های مغناطیسی قوی‌ترین (~65 µT) است. این مقدار برای جهت‌دهی سوزن‌های قطب‌نما کافی است اما 20,000-280,000 برابر ضعیف‌تر از دستگاه‌های MRI است.

بله! 1 تسلا حدود 20,000 برابر قوی‌تر از میدان زمین است. آهن‌رباهای یخچال ~0.001 T (10 G) هستند. دستگاه‌های MRI از 1.5-7 T استفاده می‌کنند. قوی‌ترین آهن‌رباهای آزمایشگاهی به ~45 T می‌رسند. فقط ستاره‌های نوترونی از میلیون‌ها تسلا فراتر می‌روند.

1 اورستد (Oe) = 1000/(4π) A/m ≈ 79.577 A/m. اورستد واحد CGS برای میدان H است، در حالی که A/m واحد SI است. ضریب تبدیل از تعریف آمپر و واحدهای الکترومغناطیسی CGS ناشی می‌شود.

استانداردهای بین‌المللی (IEC، FDA) تسلا را برای تصویربرداری پزشکی الزامی می‌کنند. این امر از سردرگمی (1.5 T در مقابل 15,000 G) جلوگیری می‌کند و با واحدهای SI هماهنگ است. مناطق ایمنی MRI بر حسب تسلا تعریف شده‌اند (دستورالعمل‌های 0.5 mT، 3 mT).

میدان‌های ایستا >1 T می‌توانند با ضربان‌سازها تداخل داشته باشند و اجسام فرومغناطیسی را جذب کنند (خطر پرتابه). میدان‌های متغیر با زمان می‌توانند جریان‌هایی را القا کنند (تحریک عصبی). پروتکل‌های ایمنی MRI به شدت قرار گرفتن در معرض را کنترل می‌کنند. میدان زمین و آهن‌رباهای معمولی (<0.01 T) ایمن در نظر گرفته می‌شوند.