ตัวแปลงสนามแม่เหล็ก
ตัวแปลงสนามแม่เหล็ก: เทสลา, เกาส์, A/m, เออสเตด - คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กและความแรงของสนาม
สนามแม่เหล็กเป็นแรงที่มองไม่เห็นซึ่งอยู่รอบๆ แม่เหล็ก กระแสไฟฟ้า และแม้กระทั่งโลกทั้งใบของเรา การทำความเข้าใจหน่วยของสนามแม่เหล็กเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรไฟฟ้า นักฟิสิกส์ ช่างเทคนิค MRI และใครก็ตามที่ทำงานกับแม่เหล็กไฟฟ้าหรือมอเตอร์ แต่มีความแตกต่างที่สำคัญที่คนส่วนใหญ่พลาดไปคือ: มีการวัดทางแม่เหล็กที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานสองแบบ—สนาม B (ความหนาแน่นฟลักซ์) และสนาม H (ความแรงของสนาม)—และการแปลงระหว่างทั้งสองต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุ คู่มือนี้จะอธิบายเกี่ยวกับเทสลา เกาส์ A/m เออสเตด และฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังการวัดสนามแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กคืออะไร?
สนามแม่เหล็กเป็นสนามเวกเตอร์ที่อธิบายอิทธิพลของแม่เหล็กต่อประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ กระแสไฟฟ้า และวัสดุแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กเกิดจากประจุที่เคลื่อนที่ (กระแสไฟฟ้า) และโมเมนต์แม่เหล็กภายในของอนุภาคพื้นฐาน (เช่น อิเล็กตรอน)
ปริมาณของสนามแม่เหล็กสองชนิด
สนาม B (ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก)
วัดแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจริงที่ประจุที่เคลื่อนที่ได้รับ รวมถึงผลของวัสดุด้วย หน่วย: เทสลา (T), เกาส์ (G), เวเบอร์/ตารางเมตร
สูตร: F = q(v × B)
โดยที่: F = แรง, q = ประจุ, v = ความเร็ว, B = ความหนาแน่นฟลักซ์
สนาม H (ความแรงของสนามแม่เหล็ก)
วัดแรงแม่เหล็กที่สร้างสนามขึ้นมา โดยไม่ขึ้นอยู่กับวัสดุ หน่วย: แอมแปร์/เมตร (A/m), เออสเตด (Oe)
สูตร: H = B/μ₀ - M (ในสุญญากาศ: H = B/μ₀)
โดยที่: μ₀ = ความสามารถในการซึมผ่านของสุญญากาศ = 1.257×10⁻⁶ T·m/A, M = การเป็นแม่เหล็ก
ในสุญญากาศหรืออากาศ: B = μ₀ × H ในวัสดุแม่เหล็ก: B = μ₀ × μᵣ × H, โดยที่ μᵣ คือความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์ (1 สำหรับอากาศ, สูงถึง 100,000+ สำหรับบางวัสดุ!)
ข้อเท็จจริงด่วนเกี่ยวกับสนามแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กโลกมีค่าประมาณ 25-65 ไมโครเทสลา (0.25-0.65 เกาส์) ที่พื้นผิว—เพียงพอที่จะทำให้เข็มทิศเบี่ยงเบนได้
แม่เหล็กตู้เย็นสร้างสนามแม่เหล็กประมาณ 0.001 เทสลา (10 เกาส์) ที่พื้นผิวของมัน
เครื่อง MRI ใช้สนามแม่เหล็ก 1.5 ถึง 7 เทสลา—แรงกว่าสนามแม่เหล็กโลกถึง 140,000 เท่า!
สนามแม่เหล็กต่อเนื่องที่แรงที่สุดที่เคยสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ: 45.5 เทสลา (มหาวิทยาลัยแห่งรัฐฟลอริดา)
ดาวนิวตรอนมีสนามแม่เหล็กสูงถึง 100 ล้านเทสลา—แรงที่สุดในจักรวาล
สมองมนุษย์สร้างสนามแม่เหล็กประมาณ 1-10 พิโคเทสลา ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยการสแกน MEG
รถไฟพลังแม่เหล็ก (Maglev) ใช้สนามแม่เหล็ก 1-4 เทสลาเพื่อลอยและขับเคลื่อนรถไฟที่ความเร็ว 600+ กม./ชม.
1 เทสลา = 10,000 เกาส์พอดี (ความสัมพันธ์ที่กำหนดระหว่างระบบ SI และ CGS)
สูตรการแปลง - วิธีแปลงหน่วยสนามแม่เหล็ก
การแปลงหน่วยสนามแม่เหล็กแบ่งออกเป็นสองประเภท: การแปลงสนาม B (ความหนาแน่นฟลักซ์) นั้นตรงไปตรงมา ในขณะที่การแปลงระหว่างสนาม B ↔ สนาม H ต้องอาศัยคุณสมบัติของวัสดุ
การแปลงสนาม B (ความหนาแน่นฟลักซ์) - เทสลา ↔ เกาส์
หน่วยพื้นฐาน: เทสลา (T) = 1 เวเบอร์/ตารางเมตร = 1 กก./(A·s²)
| จาก | ไปยัง | สูตร | ตัวอย่าง |
|---|---|---|---|
| T | G | G = T × 10,000 | 0.001 T = 10 G |
| G | T | T = G ÷ 10,000 | 1 G = 0.0001 T |
| T | mT | mT = T × 1,000 | 0.001 T = 1 mT |
| T | µT | µT = T × 1,000,000 | 0.00005 T = 50 µT |
| G | mG | mG = G × 1,000 | 0.5 G = 500 mG |
คำแนะนำด่วน: จำไว้ว่า: 1 T = 10,000 G พอดี สนามแม่เหล็กโลก ≈ 50 µT = 0.5 G
ในทางปฏิบัติ: การสแกน MRI: 1.5 T = 15,000 G แม่เหล็กตู้เย็น: 0.01 T = 100 G
การแปลงสนาม H (ความแรงของสนาม) - A/m ↔ เออสเตด
หน่วยพื้นฐาน: แอมแปร์ต่อเมตร (A/m) - หน่วย SI สำหรับแรงแม่เหล็ก
| จาก | ไปยัง | สูตร | ตัวอย่าง |
|---|---|---|---|
| Oe | A/m | A/m = Oe × 79.5775 | 1 Oe = 79.58 A/m |
| A/m | Oe | Oe = A/m ÷ 79.5775 | 1000 A/m = 12.57 Oe |
| kA/m | Oe | Oe = kA/m × 12.566 | 10 kA/m = 125.7 Oe |
คำแนะนำด่วน: 1 เออสเตด ≈ 79.58 A/m ใช้ในการออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้าและการบันทึกข้อมูลแบบแม่เหล็ก
ในทางปฏิบัติ: ความต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กของฮาร์ดดิสก์: 200-300 kA/m แม่เหล็กไฟฟ้า: 1000-10000 A/m
การแปลงระหว่างสนาม B ↔ สนาม H (ในสุญญากาศเท่านั้น)
| จาก | ไปยัง | สูตร | ตัวอย่าง |
|---|---|---|---|
| A/m | T | T = A/m × μ₀ = A/m × 1.257×10⁻⁶ | 1000 A/m = 0.001257 T |
| T | A/m | A/m = T ÷ μ₀ = T ÷ 1.257×10⁻⁶ | 0.001 T = 795.8 A/m |
| Oe | G | G ≈ Oe (ในสุญญากาศ) | 1 Oe ≈ 1 G ในอากาศ |
| Oe | T | T = Oe × 0.0001 | 100 Oe = 0.01 T |
สูตรสำหรับวัสดุ: ในวัสดุ: B = μ₀ × μᵣ × H, โดยที่ μᵣ = ความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์
ค่า μᵣ สำหรับวัสดุทั่วไป
| วัสดุ | ค่า μᵣ |
|---|---|
| สุญญากาศ, อากาศ | 1.0 |
| อะลูมิเนียม, ทองแดง | ~1.0 |
| นิกเกิล | 100-600 |
| เหล็กอ่อน | 200-2,000 |
| เหล็กซิลิคอน | 1,500-7,000 |
| เพอร์มัลลอย | 8,000-100,000 |
| ซูเปอร์มัลลอย | up to 1,000,000 |
ในเหล็ก (μᵣ ≈ 2000), 1000 A/m จะสร้างสนาม 2.5 T, ไม่ใช่ 0.00126 T!
สำคัญมาก: การทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างสนาม B และสนาม H
การสับสนระหว่าง B และ H อาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดร้ายแรงในการออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้า การคำนวณมอเตอร์ และการป้องกันสนามแม่เหล็ก!
- สนาม B (เทสลา, เกาส์) คือสิ่งที่คุณวัดด้วยเครื่องวัดเกาส์หรือโพรบฮอลล์
- สนาม H (A/m, เออสเตด) คือสิ่งที่คุณสร้างขึ้นด้วยกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด
- ในอากาศ: 1 Oe ≈ 1 G และ 1 A/m = 1.257 µT (ตัวแปลงของเราใช้ค่านี้)
- ในเหล็ก: สนาม H เดียวกันจะสร้างสนาม B ที่แรงกว่า 1000 เท่าเนื่องจากการเป็นแม่เหล็กของวัสดุ!
- ข้อมูลจำเพาะของเครื่อง MRI ใช้สนาม B (เทสลา) เพราะเป็นสิ่งที่ส่งผลต่อร่างกาย
- การออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้าใช้สนาม H (A/m) เพราะเป็นสิ่งที่กระแสไฟฟ้าสร้างขึ้น
การทำความเข้าใจหน่วยสนามแม่เหล็กแต่ละชนิด
เทสลา (T)(สนาม B)
คำจำกัดความ: หน่วย SI ของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก 1 T = 1 เวเบอร์/ตารางเมตร = 1 กก./(A·s²)
ตั้งชื่อตาม: นิโคลา เทสลา (1856-1943), นักประดิษฐ์และวิศวกรไฟฟ้า
การใช้งาน: เครื่อง MRI, แม่เหล็กสำหรับงานวิจัย, ข้อมูลจำเพาะของมอเตอร์
ค่าทั่วไป: โลก: 50 µT | แม่เหล็กตู้เย็น: 10 mT | MRI: 1.5-7 T
เกาส์ (G)(สนาม B)
คำจำกัดความ: หน่วย CGS ของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก 1 G = 10⁻⁴ T = 100 µT
ตั้งชื่อตาม: คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ (1777-1855), นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์
การใช้งาน: อุปกรณ์รุ่นเก่า, ธรณีฟิสิกส์, เครื่องวัดเกาส์ในอุตสาหกรรม
ค่าทั่วไป: โลก: 0.5 G | แม่เหล็กลำโพง: 1-2 G | แม่เหล็กนีโอดิเมียม: 1000-3000 G
แอมแปร์ต่อเมตร (A/m)(สนาม H)
คำจำกัดความ: หน่วย SI ของความแรงสนามแม่เหล็ก กระแสต่อหน่วยความยาวที่สร้างสนาม
การใช้งาน: การออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้า, การคำนวณขดลวด, การทดสอบวัสดุแม่เหล็ก
ค่าทั่วไป: โลก: 40 A/m | โซลินอยด์: 1000-10000 A/m | แม่เหล็กอุตสาหกรรม: 100 kA/m
เออสเตด (Oe)(สนาม H)
คำจำกัดความ: หน่วย CGS ของความแรงสนามแม่เหล็ก 1 Oe = 79.5775 A/m
ตั้งชื่อตาม: ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (1777-1851), ผู้ค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้า
การใช้งาน: การบันทึกข้อมูลแบบแม่เหล็ก, ข้อมูลจำเพาะของแม่เหล็กถาวร, วงจรฮิสเทรีซิส
ค่าทั่วไป: ความต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กของฮาร์ดดิสก์: 2000-4000 Oe | แม่เหล็กถาวร: 500-2000 Oe
ไมโครเทสลา (µT)(สนาม B)
คำจำกัดความ: หนึ่งในล้านของเทสลา 1 µT = 10⁻⁶ T = 0.01 G
การใช้งาน: ธรณีฟิสิกส์, การนำทาง, การวัด EMF, ชีวแม่เหล็ก
ค่าทั่วไป: สนามแม่เหล็กโลก: 25-65 µT | สมอง (MEG): 0.00001 µT | สายไฟฟ้า: 1-10 µT
แกมมา (γ)(สนาม B)
คำจำกัดความ: เท่ากับ 1 นาโนเทสลา 1 γ = 1 nT = 10⁻⁹ T ใช้ในธรณีฟิสิกส์
การใช้งาน: การสำรวจด้วยแม่เหล็ก, โบราณคดี, การสำรวจแร่
ค่าทั่วไป: การตรวจจับความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก: 1-100 γ | การเปลี่ยนแปลงรายวัน: ±30 γ
การค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้า
1820 — ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด
แม่เหล็กไฟฟ้า
ในระหว่างการสาธิตการบรรยาย เออร์สเตดสังเกตเห็นเข็มทิศเบี่ยงเบนใกล้กับสายไฟที่มีกระแสไหลผ่าน นี่เป็นการสังเกตครั้งแรกที่เชื่อมโยงไฟฟ้ากับแม่เหล็ก เขาตีพิมพ์ผลการค้นพบเป็นภาษาละติน และภายในไม่กี่สัปดาห์ นักวิทยาศาสตร์ทั่วยุโรปก็ทำการทดลองซ้ำ
พิสูจน์ว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็ก เป็นการวางรากฐานให้กับสาขาแม่เหล็กไฟฟ้า
1831 — ไมเคิล ฟาราเดย์
การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
ฟาราเดย์ค้นพบว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างกระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของแม่เหล็กผ่านขดลวดจะผลิตไฟฟ้า—ซึ่งเป็นหลักการเบื้องหลังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้าทุกเครื่องในปัจจุบัน
ทำให้การผลิตไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า และโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่เป็นไปได้
1873 — เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรวม
สมการของแมกซ์เวลล์ได้รวมไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสงเข้าเป็นทฤษฎีเดียวกัน เขาได้แนะนำแนวคิดของสนาม B และสนาม H ว่าเป็นปริมาณที่แตกต่างกัน และแสดงให้เห็นว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นำไปสู่การพัฒชาวิทยุ เรดาร์ และการสื่อสารไร้สาย
1895 — เฮนดริก ลอเรนซ์
กฎแรงของลอเรนซ์
อธิบายแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า: F = q(E + v × B) สูตรนี้เป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจการทำงานของมอเตอร์ เครื่องเร่งอนุภาค และหลอดรังสีแคโทด
เป็นรากฐานของการทำความเข้าใจการเคลื่อนที่ของอนุภาคในสนาม มวลสารสเปกโตรเมทรี และฟิสิกส์พลาสมา
1908 — ไฮเกอ กาเมอร์ลิง โอนเนิส
ตัวนำยิ่งยวด
เมื่อทำให้ปรอทเย็นลงถึง 4.2 K โอนเนิสค้นพบว่าความต้านทานไฟฟ้าของมันหายไปอย่างสมบูรณ์ ตัวนำยิ่งยวดจะผลักสนามแม่เหล็กออกไป (ปรากฏการณ์ไมสเนอร์) ทำให้สามารถสร้างแม่เหล็กที่แรงมากโดยไม่มีการสูญเสียพลังงาน
นำไปสู่การพัฒนาเครื่อง MRI รถไฟพลังแม่เหล็ก และแม่เหล็กในเครื่องเร่งอนุภาคที่สร้างสนามได้ถึง 10+ เทสลา
1960 — ธีโอดอร์ ไมแมน
เลเซอร์เครื่องแรก
แม้ว่าจะไม่เกี่ยวกับแม่เหล็กโดยตรง แต่เลเซอร์ก็ช่วยให้สามารถวัดสนามแม่เหล็กได้อย่างแม่นยำผ่านปรากฏการณ์ทางแสง-แม่เหล็ก เช่น การหมุนของฟาราเดย์และปรากฏการณ์ซีมัน
ปฏิวัติการตรวจจับสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์แยกแสง และการเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็ก
1971 — เรย์มอนด์ ดามาเดียน
การถ่ายภาพทางการแพทย์ด้วย MRI
ดามาเดียนค้นพบว่าเนื้อเยื่อมะเร็งมีเวลาการคลายตัวของแม่เหล็กที่แตกต่างจากเนื้อเยื่อปกติ สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนา MRI (การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งใช้สนาม 1.5-7 เทสลาเพื่อสร้างภาพสแกนร่างกายโดยละเอียดโดยไม่ต้องใช้รังสี
เปลี่ยนแปลงการวินิจฉัยทางการแพทย์ ทำให้สามารถถ่ายภาพเนื้อเยื่ออ่อน สมอง และอวัยวะต่างๆ ได้โดยไม่ต้องผ่าตัด
การประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กในโลกแห่งความเป็นจริง
การถ่ายภาพและการรักษาทางการแพทย์
เครื่องสแกน MRI
ความแรงของสนาม: 1.5-7 เทสลา
สร้างภาพ 3 มิติที่มีรายละเอียดของเนื้อเยื่ออ่อน สมอง และอวัยวะ
MEG (Magnetoencephalography)
ความแรงของสนาม: 1-10 พิโคเทสลา
วัดการทำงานของสมองโดยการตรวจจับสนามแม่เหล็กขนาดเล็กจากเซลล์ประสาท
การบำบัดด้วยความร้อนจากแม่เหล็ก
ความแรงของสนาม: 0.01-0.1 เทสลา
ให้ความร้อนแก่อนุภาคนาโนแม่เหล็กในเนื้องอกเพื่อทำลายเซลล์มะเร็ง
TMS (การกระตุ้นด้วยแม่เหล็กผ่านกะโหลกศีรษะ)
ความแรงของสนาม: พัลส์ 1-2 เทสลา
รักษาโรคซึมเศร้าโดยการกระตุ้นสมองด้วยพัลส์แม่เหล็ก
การขนส่ง
รถไฟพลังแม่เหล็ก (Maglev)
ความแรงของสนาม: 1-4 เทสลา
ลอยและขับเคลื่อนรถไฟที่ความเร็ว 600+ กม./ชม. โดยไม่มีแรงเสียดทาน
มอเตอร์ไฟฟ้า
ความแรงของสนาม: 0.5-2 เทสลา
แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลในรถยนต์ไฟฟ้า เครื่องใช้ไฟฟ้า และหุ่นยนต์
ตลับลูกปืนแม่เหล็ก
ความแรงของสนาม: 0.1-1 เทสลา
รองรับการหมุนของกังหันและล้อช่วยแรงความเร็วสูงโดยไม่มีแรงเสียดทาน
การเก็บข้อมูลและอิเล็กทรอนิกส์
ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์
ความแรงของสนาม: ความต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็ก 200-300 kA/m
เก็บข้อมูลในโดเมนแม่เหล็ก หัวอ่านจะตรวจจับสนามขนาด 0.1-1 mT
หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบแม่เหล็ก (MRAM)
ความแรงของสนาม: 10-100 mT
หน่วยความจำที่ไม่ลบเลือนซึ่งใช้จุดเชื่อมต่ออุโมงค์แม่เหล็ก
บัตรเครดิต
ความแรงของสนาม: 300-400 Oe
แถบแม่เหล็กที่เข้ารหัสข้อมูลบัญชี
ความเชื่อผิดๆ และความเข้าใจผิดทั่วไปเกี่ยวกับสนามแม่เหล็ก
เทสลาและเกาส์วัดสิ่งที่แตกต่างกัน
ข้อสรุป: เท็จ
ทั้งสองหน่วยวัดสิ่งเดียวกัน (สนาม B/ความหนาแน่นฟลักซ์) แต่ใช้ระบบหน่วยที่แตกต่างกัน เทสลาเป็นหน่วย SI และเกาส์เป็นหน่วย CGS 1 T = 10,000 G พอดี ทั้งสองหน่วยสามารถใช้แทนกันได้เหมือนเมตรและฟุต
คุณสามารถแปลงระหว่าง A/m และเทสลาได้อย่างอิสระ
ข้อสรุป: มีเงื่อนไข
เป็นจริงเฉพาะในสุญญากาศ/อากาศเท่านั้น! ในวัสดุแม่เหล็ก การแปลงขึ้นอยู่กับค่าความสามารถในการซึมผ่าน μᵣ ในเหล็ก (μᵣ~2000), 1000 A/m จะสร้างสนาม 2.5 T, ไม่ใช่ 0.00126 T ควรระบุสมมติฐานของคุณเสมอเมื่อทำการแปลง B ↔ H
สนามแม่เหล็กเป็นอันตรายต่อมนุษย์
ข้อสรุป: ส่วนใหญ่เท็จ
สนามแม่เหล็กสถิตสูงถึง 7 เทสลา (เครื่อง MRI) ถือว่าปลอดภัย ร่างกายของคุณโปร่งใสต่อสนามแม่เหล็กสถิต มีความกังวลเกี่ยวกับสนามที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (กระแสเหนี่ยวนำ) หรือสนามที่สูงกว่า 10 T สนามแม่เหล็กโลก 50 µT นั้นไม่เป็นอันตรายเลย
'ความแรง' ของสนามแม่เหล็กหมายถึงเทสลา
ข้อสรุป: กำกวม
ทำให้สับสน! ในทางฟิสิกส์ 'ความแรงของสนามแม่เหล็ก' หมายถึงสนาม H (A/m) โดยเฉพาะ แต่ในภาษาพูดทั่วไป คนมักจะพูดว่า 'สนามแม่เหล็กแรง' โดยหมายถึงสนาม B ที่มีค่าสูง (เทสลา) ควรอธิบายให้ชัดเจนเสมอว่าเป็นสนาม B หรือสนาม H
เออสเตดและเกาส์เป็นสิ่งเดียวกัน
ข้อสรุป: เท็จ (แต่ใกล้เคียง)
ในสุญญากาศ: 1 Oe ≈ 1 G ในเชิงตัวเลข แต่ทั้งสองหน่วยวัดปริมาณที่แตกต่างกัน! เออสเตดวัดสนาม H (แรงแม่เหล็ก) และเกาส์วัดสนาม B (ความหนาแน่นฟลักซ์) เปรียบเสมือนการสับสนระหว่างแรงกับพลังงาน แม้ว่าตัวเลขจะใกล้เคียงกันในอากาศ แต่ก็มีความแตกต่างทางกายภาพ
แม่เหล็กไฟฟ้าแรงกว่าแม่เหล็กถาวร
ข้อสรุป: แล้วแต่กรณี
แม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไป: 0.1-2 T แม่เหล็กนีโอดิเมียม: สนามที่พื้นผิว 1-1.4 T แต่แม่เหล็กไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดสามารถสร้างสนามได้ถึง 20+ เทสลา ซึ่งสูงกว่าแม่เหล็กถาวรใดๆ มาก แม่เหล็กไฟฟ้าเหมาะสำหรับสนามที่แรงมาก ส่วนแม่เหล็กถาวรเหมาะสำหรับขนาดกะทัดรัดและไม่ต้องใช้พลังงาน
สนามแม่เหล็กไม่สามารถทะลุผ่านวัสดุได้
ข้อสรุป: เท็จ
สนามแม่เหล็กสามารถทะลุผ่านวัสดุส่วนใหญ่ได้อย่างง่ายดาย! มีเพียงตัวนำยิ่งยวดเท่านั้นที่สามารถผลักสนาม B ออกไปได้อย่างสมบูรณ์ (ปรากฏการณ์ไมสเนอร์) และวัสดุที่มีค่าความสามารถในการซึมผ่านสูง (มิว-เมทัล) สามารถเปลี่ยนทิศทางของเส้นแรงสนามได้ นี่คือเหตุผลที่การป้องกันสนามแม่เหล็กเป็นเรื่องยาก เพราะคุณไม่สามารถ 'บล็อก' สนามได้เหมือนกับที่คุณทำกับสนามไฟฟ้า
วิธีวัดสนามแม่เหล็ก
เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์
ช่วง: 1 µT ถึง 10 T
ความแม่นยำ: ±1-5%
วัด: สนาม B (เทสลา/เกาส์)
เป็นที่นิยมที่สุด ชิปสารกึ่งตัวนำที่ให้แรงดันไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับสนาม B ใช้ในสมาร์ทโฟน (เข็มทิศ), เครื่องวัดเกาส์, และเซ็นเซอร์ตำแหน่ง
ข้อดี: ราคาถูก, ขนาดเล็ก, วัดสนามสถิตได้
ข้อเสีย: ไวต่ออุณหภูมิ, ความแม่นยำจำกัด
แมกนีโตมิเตอร์แบบฟลักซ์เกต
ช่วง: 0.1 nT ถึง 1 mT
ความแม่นยำ: ±0.1 nT
วัด: สนาม B (เทสลา)
ใช้การอิ่มตัวของแกนแม่เหล็กเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามขนาดเล็ก ใช้ในธรณีฟิสิกส์, การนำทาง, และภารกิจอวกาศ
ข้อดี: มีความไวสูงมาก, เหมาะสำหรับสนามที่อ่อนแอ
ข้อเสีย: ไม่สามารถวัดสนามที่แรงได้, มีราคาแพงกว่า
SQUID (อุปกรณ์แทรกสอดควอนตัมตัวนำยิ่งยวด)
ช่วง: 1 fT ถึง 1 mT
ความแม่นยำ: ±0.001 nT
วัด: สนาม B (เทสลา)
แมกนีโตมิเตอร์ที่ไวที่สุด ต้องการการหล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลว ใช้ในการสแกนสมองด้วย MEG และการวิจัยฟิสิกส์พื้นฐาน
ข้อดี: ความไวที่ไม่มีใครเทียบได้ (เฟมโตเทสลา!)
ข้อเสีย: ต้องการการหล่อเย็นแบบไครโอเจนิก, มีราคาแพงมาก
ขดลวดค้นหา (ขดลวดเหนี่ยวนำ)
ช่วง: 10 µT ถึง 10 T
ความแม่นยำ: ±2-10%
วัด: การเปลี่ยนแปลงในสนาม B (dB/dt)
ขดลวดที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อฟลักซ์เปลี่ยนแปลง ไม่สามารถวัดสนามสถิตได้—เฉพาะสนาม AC หรือสนามที่เคลื่อนที่เท่านั้น
ข้อดี: เรียบง่าย, ทนทาน, สามารถวัดสนามที่แรงได้
ข้อเสีย: วัดได้เฉพาะสนามที่เปลี่ยนแปลง, ไม่ใช่วัด DC
ขดลวดโรโกวสกี
ช่วง: 1 A ถึง 1 MA
ความแม่นยำ: ±1%
วัด: กระแสไฟฟ้า (เกี่ยวข้องกับสนาม H)
วัดกระแสไฟฟ้า AC โดยการตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มันสร้างขึ้น พันรอบตัวนำโดยไม่ต้องสัมผัส
ข้อดี: ไม่รุกราน, มีช่วงไดนามิกกว้าง
ข้อเสีย: เฉพาะ AC, ไม่ได้วัดสนามโดยตรง
แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการแปลงหน่วยสนามแม่เหล็ก
แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด
- รู้จักประเภทของสนามของคุณ: สนาม B (เทสลา, เกาส์) กับสนาม H (A/m, เออสเตด) นั้นแตกต่างกันโดยพื้นฐาน
- วัสดุมีความสำคัญ: การแปลง B↔H จำเป็นต้องทราบค่าความสามารถในการซึมผ่าน ควรสมมติว่าเป็นสุญญากาศเฉพาะเมื่อคุณแน่ใจเท่านั้น!
- ใช้อุปสรรคที่เหมาะสม: mT (มิลลิเทสลา), µT (ไมโครเทสลา), nT (นาโนเทสลา) เพื่อให้อ่านง่าย
- จำไว้ว่า 1 เทสลา = 10,000 เกาส์พอดี (การแปลง SI กับ CGS)
- ในสุญญากาศ: 1 A/m ≈ 1.257 µT (คูณด้วย μ₀ = 4π×10⁻⁷)
- เพื่อความปลอดภัยของ MRI: ควรแสดงค่าเป็นเทสลาเสมอ ไม่ใช่เกาส์ (มาตรฐานสากล)
ข้อผิดพลาดทั่วไปที่ควรหลีกเลี่ยง
- การสับสนระหว่างสนาม B กับสนาม H: เทสลาวัด B, A/m วัด H—แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง!
- การแปลง A/m เป็นเทสลาในวัสดุ: จำเป็นต้องใช้ค่าความสามารถในการซึมผ่านของวัสดุ ไม่ใช่แค่ μ₀
- การใช้เกาส์สำหรับสนามที่แรง: ควรใช้เทสลาเพื่อความชัดเจน (1.5 T ชัดเจนกว่า 15,000 G)
- การสันนิษฐานว่าสนามแม่เหล็กโลกคือ 1 เกาส์: จริงๆ แล้วมันคือ 0.25-0.65 เกาส์ (25-65 µT)
- การลืมทิศทาง: สนามแม่เหล็กเป็นเวกเตอร์ที่มีทั้งขนาดและทิศทาง
- การผสมเออสเตดกับ A/m อย่างไม่ถูกต้อง: 1 Oe = 79.577 A/m (ไม่ใช่ตัวเลขกลมๆ!)
คำถามที่พบบ่อย
ความแตกต่างระหว่างเทสลาและเกาส์คืออะไร?
เทสลา (T) เป็นหน่วย SI, เกาส์ (G) เป็นหน่วย CGS 1 เทสลา = 10,000 เกาส์พอดี เทสลาเป็นหน่วยที่นิยมใช้ในงานวิทยาศาสตร์และการแพทย์ ในขณะที่เกาส์ยังคงพบได้ในเอกสารเก่าๆ และในบางบริบททางอุตสาหกรรม
ฉันสามารถแปลง A/m เป็นเทสลาโดยตรงได้หรือไม่?
ได้เฉพาะในสุญญากาศ/อากาศเท่านั้น! ในสุญญากาศ: B (เทสลา) = μ₀ × H (A/m) โดยที่ μ₀ = 4π×10⁻⁷ ≈ 1.257×10⁻⁶ T·m/A ในวัสดุแม่เหล็กเช่นเหล็ก คุณต้องใช้ค่าความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์ของวัสดุ (μᵣ) ซึ่งอาจมีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 100,000+ ตัวแปลงของเราสมมติว่าเป็นสุญญากาศ
ทำไมถึงมีการวัดสนามแม่เหล็กสองแบบที่แตกต่างกัน?
สนาม B (ความหนาแน่นฟลักซ์) วัดแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจริง รวมถึงผลของวัสดุด้วย สนาม H (ความแรงของสนาม) วัดแรงแม่เหล็กที่สร้างสนามขึ้นมา โดยไม่ขึ้นอยู่กับวัสดุ ในสุญญากาศ B = μ₀H แต่ในวัสดุ B = μ₀μᵣH โดยที่ μᵣ จะแตกต่างกันไปอย่างมาก
สนามแม่เหล็กโลกแรงแค่ไหน?
สนามแม่เหล็กโลกมีค่าตั้งแต่ 25-65 ไมโครเทสลา (0.25-0.65 เกาส์) ที่พื้นผิว โดยจะอ่อนที่สุดที่เส้นศูนย์สูตร (~25 µT) และแรงที่สุดที่ขั้วแม่เหล็ก (~65 µT) ซึ่งแรงพอที่จะทำให้เข็มทิศเบี่ยงเบนได้ แต่ก็ยังอ่อนกว่าเครื่อง MRI 20,000-280,000 เท่า
1 เทสลาเป็นสนามแม่เหล็กที่แรงหรือไม่?
ใช่! 1 เทสลาแรงกว่าสนามแม่เหล็กโลกประมาณ 20,000 เท่า แม่เหล็กตู้เย็นมีค่าประมาณ 0.001 T (10 G) เครื่อง MRI ใช้ 1.5-7 T แม่เหล็กในห้องปฏิบัติการที่แรงที่สุดสามารถสร้างได้ถึง ~45 T มีเพียงดาวนิวตรอนเท่านั้นที่มีสนามแม่เหล็กเกินล้านเทสลา
ความสัมพันธ์ระหว่างเออสเตดกับ A/m คืออะไร?
1 เออสเตด (Oe) = 1000/(4π) A/m ≈ 79.577 A/m เออสเตดเป็นหน่วย CGS สำหรับสนาม H ในขณะที่ A/m เป็นหน่วย SI ปัจจัยการแปลงมาจากคำจำกัดความของแอมแปร์และหน่วยแม่เหล็กไฟฟ้า CGS
ทำไมเครื่อง MRI ถึงใช้เทสลา ไม่ใช่เกาส์?
มาตรฐานสากล (IEC, FDA) กำหนดให้ใช้เทสลาสำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์ เพื่อหลีกเลี่ยงความสับสน (1.5 T กับ 15,000 G) และเพื่อให้สอดคล้องกับหน่วย SI โซนความปลอดภัยของ MRI จะถูกกำหนดเป็นเทสลา (แนวทางปฏิบัติ 0.5 mT, 3 mT)
สนามแม่เหล็กเป็นอันตรายได้หรือไม่?
สนามสถิตที่แรงกว่า 1 T อาจรบกวนการทำงานของเครื่องกระตุ้นหัวใจและดึงดูดวัตถุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก (เสี่ยงต่อการเกิดวัตถุบิน) สนามที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาอาจเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้า (การกระตุ้นเส้นประสาท) พิธีสารความปลอดภัยของ MRI จะควบคุมการสัมผัสอย่างเข้มงวด สนามแม่เหล็กโลกและแม่เหล็กทั่วไป (<0.01 T) ถือว่าปลอดภัย
ไดเรกทอรีเครื่องมือฉบับสมบูรณ์
เครื่องมือทั้งหมด 71 รายการที่มีอยู่ใน UNITS