Конвертер Магнітного Поля
Конвертер магнітного поля: Тесла, Гаус, А/м, Ерстед - Повний посібник з густини магнітного потоку та напруженості поля
Магнітні поля — це невидимі сили, що оточують магніти, електричні струми та навіть усю нашу планету. Розуміння одиниць магнітного поля є важливим для інженерів-електриків, фізиків, техніків МРТ та будь-кого, хто працює з електромагнітами чи двигунами. Але ось ключова відмінність, яку більшість людей пропускає: існують ДВА принципово різні магнітні вимірювання — B-поле (густина магнітного потоку) та H-поле (напруженість поля) — і перетворення між ними вимагає знання магнітних властивостей матеріалу. Цей посібник пояснює Теслу, Гаус, А/м, Ерстед та фізику, що лежить в основі вимірювань магнітного поля.
Що таке магнітне поле?
Магнітне поле — це векторне поле, що описує магнітний вплив на рухомі електричні заряди, електричні струми та магнітні матеріали. Магнітні поля створюються рухомими зарядами (електричними струмами) та внутрішніми магнітними моментами елементарних частинок (таких як електрони).
Дві величини магнітного поля
B-поле (Густина магнітного потоку)
Вимірює фактичну магнітну силу, яку відчуває рухомий заряд. Включає вплив матеріалу. Одиниці: Тесла (Тл), Гаус (Гс), Вебер/м².
Формула: F = q(v × B)
де: F = сила, q = заряд, v = швидкість, B = густина потоку
H-поле (Напруженість магнітного поля)
Вимірює намагнічувальну силу, що створює поле, незалежно від матеріалу. Одиниці: Ампер/метр (А/м), Ерстед (Е).
Формула: H = B/μ₀ - M (у вакуумі: H = B/μ₀)
де: μ₀ = магнітна проникність вакууму = 1.257×10⁻⁶ Тл·м/А, M = намагніченість
У вакуумі або повітрі: B = μ₀ × H. У магнітних матеріалах: B = μ₀ × μᵣ × H, де μᵣ — відносна магнітна проникність (1 для повітря, до 100 000+ для деяких матеріалів!)
Швидкі факти про магнітне поле
Магнітне поле Землі на поверхні становить близько 25-65 мікротесла (0.25-0.65 Гауса) — достатньо, щоб відхилити стрілки компаса
Магніт на холодильнику створює на своїй поверхні близько 0.001 Тесла (10 Гаусів)
Апарати МРТ використовують від 1.5 до 7 Тесла — до 140 000 разів сильніше, ніж поле Землі!
Найсильніше безперервне магнітне поле, коли-небудь створене в лабораторії: 45.5 Тесла (Університет штату Флорида)
Нейтронні зірки мають магнітні поля до 100 мільйонів Тесла — найсильніші у Всесвіті
Людський мозок виробляє магнітні поля близько 1-10 пікотесла, вимірювані за допомогою МЕГ-сканування
Потяги на магнітній левітації (Маглев) використовують магнітні поля 1-4 Тесла для левітації та руху поїздів зі швидкістю понад 600 км/год
1 Тесла = 10 000 Гаусів точно (визначене співвідношення між системами СІ та СГС)
Формули перетворення - Як конвертувати одиниці магнітного поля
Перетворення магнітного поля поділяються на дві категорії: перетворення B-поля (густини потоку) прості, тоді як перетворення B-поля ↔ H-поля вимагають знання властивостей матеріалу.
Перетворення B-поля (Густина потоку) - Тесла ↔ Гаус
Базова одиниця: Тесла (Тл) = 1 Вебер/м² = 1 кг/(А·с²)
| Від | До | Формула | Приклад |
|---|---|---|---|
| Тл | Гс | Гс = Тл × 10,000 | 0.001 Тл = 10 Гс |
| Гс | Тл | Тл = Гс ÷ 10,000 | 1 Гс = 0.0001 Тл |
| Тл | мТл | мТл = Тл × 1,000 | 0.001 Тл = 1 мТл |
| Тл | мкТл | мкТл = Тл × 1,000,000 | 0.00005 Тл = 50 мкТл |
| Гс | мГс | мГс = Гс × 1,000 | 0.5 Гс = 500 мГс |
Швидка порада: Пам'ятайте: 1 Тл = 10 000 Гс точно. Поле Землі ≈ 50 мкТл = 0.5 Гс.
Практично: Сканування МРТ: 1.5 Тл = 15 000 Гс. Магніт на холодильнику: 0.01 Тл = 100 Гс.
Перетворення H-поля (Напруженість поля) - А/м ↔ Ерстед
Базова одиниця: Ампер на метр (А/м) - одиниця СІ для намагнічувальної сили
| Від | До | Формула | Приклад |
|---|---|---|---|
| Е | А/м | А/м = Е × 79.5775 | 1 Е = 79.58 А/м |
| А/м | Е | Е = А/м ÷ 79.5775 | 1000 А/м = 12.57 Е |
| кА/м | Е | Е = кА/м × 12.566 | 10 кА/м = 125.7 Е |
Швидка порада: 1 Ерстед ≈ 79.58 А/м. Використовується в проектуванні електромагнітів та магнітному записі.
Практично: Коерцитивність жорсткого диска: 200-300 кА/м. Електромагніт: 1000-10000 А/м.
Перетворення B-поля ↔ H-поля (ТІЛЬКИ У ВАКУУМІ)
| Від | До | Формула | Приклад |
|---|---|---|---|
| А/м | Тл | Тл = А/м × μ₀ = А/м × 1.257×10⁻⁶ | 1000 А/м = 0.001257 Тл |
| Тл | А/м | А/м = Тл ÷ μ₀ = Тл ÷ 1.257×10⁻⁶ | 0.001 Тл = 795.8 А/м |
| Е | Гс | Гс ≈ Е (у вакуумі) | 1 Е ≈ 1 Гс у повітрі |
| Е | Тл | Тл = Е × 0.0001 | 100 Е = 0.01 Тл |
Формула матеріалу: У матеріалах: B = μ₀ × μᵣ × H, де μᵣ = відносна магнітна проникність
Значення μᵣ для поширених матеріалів
| Матеріал | Значення μᵣ |
|---|---|
| Вакуум, повітря | 1.0 |
| Алюміній, мідь | ~1.0 |
| Нікель | 100-600 |
| М'яка сталь | 200-2,000 |
| Кремнієва сталь | 1,500-7,000 |
| Пермалой | 8,000-100,000 |
| Супермалой | up to 1,000,000 |
У залізі (μᵣ ≈ 2000), 1000 А/м створює 2.5 Тл, а не 0.00126 Тл!
КРИТИЧНО: Розуміння різниці між B-полем і H-полем
Плутанина між B і H може призвести до катастрофічних помилок у проектуванні електромагнітів, розрахунках двигунів та магнітному екрануванні!
- B-поле (Тесла, Гаус) — це те, що ви ВИМІРЮЄТЕ за допомогою гаусметра або зонда Холла
- H-поле (А/м, Ерстед) — це те, що ви ЗАСТОСОВУЄТЕ за допомогою струму через котушки
- У повітрі: 1 Е ≈ 1 Гс і 1 А/м = 1.257 мкТл (наш конвертер використовує це)
- У залізі: те ж саме H-поле створює в 1000 разів сильніше B-поле через намагнічування матеріалу!
- Специфікації МРТ використовують B-поле (Тесла), тому що саме воно впливає на тіло
- Проектування електромагнітів використовує H-поле (А/м), тому що саме його створює струм
Розуміння кожної одиниці магнітного поля
Тесла (Тл)(B-поле)
Визначення: Одиниця СІ густини магнітного потоку. 1 Тл = 1 Вебер/м² = 1 кг/(А·с²)
Названо на честь: Нікола Тесла (1856-1943), винахідник та інженер-електрик
Використання: Апарати МРТ, дослідницькі магніти, специфікації двигунів
Типові значення: Земля: 50 мкТл | Магніт на холодильнику: 10 мТл | МРТ: 1.5-7 Тл
Гаус (Гс)(B-поле)
Визначення: Одиниця СГС густини магнітного потоку. 1 Гс = 10⁻⁴ Тл = 100 мкТл
Названо на честь: Карл Фрідріх Гаус (1777-1855), математик і фізик
Використання: Старе обладнання, геофізика, промислові гаусметри
Типові значення: Земля: 0.5 Гс | Магніт динаміка: 1-2 Гс | Неодимовий магніт: 1000-3000 Гс
Ампер на метр (А/м)(H-поле)
Визначення: Одиниця СІ напруженості магнітного поля. Струм на одиницю довжини, що створює поле.
Використання: Проектування електромагнітів, розрахунки котушок, випробування магнітних матеріалів
Типові значення: Земля: 40 А/м | Соленоїд: 1000-10000 А/м | Промисловий магніт: 100 кА/м
Ерстед (Е)(H-поле)
Визначення: Одиниця СГС напруженості магнітного поля. 1 Е = 79.5775 А/м
Названо на честь: Ганс Христіан Ерстед (1777-1851), який відкрив електромагнетизм
Використання: Магнітний запис, специфікації постійних магнітів, петлі гістерезису
Типові значення: Коерцитивність жорсткого диска: 2000-4000 Е | Постійний магніт: 500-2000 Е
Мікротесла (мкТл)(B-поле)
Визначення: Одна мільйонна частина Тесли. 1 мкТл = 10⁻⁶ Тл = 0.01 Гс
Використання: Геофізика, навігація, вимірювання ЕМП, біомагнетизм
Типові значення: Поле Землі: 25-65 мкТл | Мозок (МЕГ): 0.00001 мкТл | Лінії електропередач: 1-10 мкТл
Гамма (γ)(B-поле)
Визначення: Дорівнює 1 нанотесла. 1 γ = 1 нТл = 10⁻⁹ Тл. Використовується в геофізиці.
Використання: Магнітні зйомки, археологія, розвідка корисних копалин
Типові значення: Виявлення магнітних аномалій: 1-100 γ | Добова зміна: ±30 γ
Відкриття електромагнетизму
1820 — Ганс Христіан Ерстед
Електромагнетизм
Під час лекційної демонстрації Ерстед помітив, що стрілка компаса відхиляється біля проводу зі струмом. Це було перше спостереження, що пов'язало електрику та магнетизм. Він опублікував свої результати латиною, і протягом кількох тижнів науковці по всій Європі повторювали експеримент.
Довів, що електричні струми створюють магнітні поля, заснувавши галузь електромагнетизму
1831 — Майкл Фарадей
Електромагнітна індукція
Фарадей виявив, що змінні магнітні поля створюють електричні струми. Рух магніту через котушку дроту генерував електрику — принцип, що лежить в основі кожного сучасного електрогенератора та трансформатора.
Уможливив виробництво електроенергії, трансформатори та сучасну електричну мережу
1873 — Джеймс Клерк Максвелл
Єдина електромагнітна теорія
Рівняння Максвелла об'єднали електрику, магнетизм та світло в одну теорію. Він ввів поняття B-поля та H-поля як окремі величини, показавши, що світло є електромагнітною хвилею.
Передбачив існування електромагнітних хвиль, що призвело до радіо, радара та бездротового зв'язку
1895 — Хендрік Лоренц
Закон сили Лоренца
Описав силу, що діє на заряджену частинку, яка рухається в магнітному та електричному полях: F = q(E + v × B). Ця формула є фундаментальною для розуміння роботи двигунів, прискорювачів частинок та катодно-променевих трубок.
Основа для розуміння руху частинок у полях, мас-спектрометрії та фізики плазми
1908 — Хейке Камерлінг-Оннес
Надпровідність
Охолодивши ртуть до 4.2 К, Оннес виявив, що її електричний опір повністю зник. Надпровідники виштовхують магнітні поля (ефект Мейснера), що дозволяє створювати надсильні магніти з нульовими втратами енергії.
Призвів до створення апаратів МРТ, поїздів на магнітній левітації та магнітів для прискорювачів частинок, що створюють поля понад 10 Тесла
1960 — Теодор Майман
Перший лазер
Хоча це не було безпосередньо пов'язано з магнетизмом, лазери дозволили проводити точні вимірювання магнітного поля через магнітооптичні ефекти, такі як ефект Фарадея та ефект Зеемана.
Зробив революцію в зондуванні магнітного поля, оптичних ізоляторах та магнітному зберіганні даних
1971 — Реймонд Дамадьян
Медична візуалізація МРТ
Дамадьян виявив, що ракова тканина має інший час магнітної релаксації, ніж здорова. Це призвело до створення МРТ (магнітно-резонансної томографії), що використовує поля 1.5-7 Тесла для створення детальних знімків тіла без випромінювання.
Трансформував медичну діагностику, зробивши можливим неінвазивне зображення м'яких тканин, мозку та органів
Застосування магнітних полів у реальному світі
Медична візуалізація та лікування
Сканери МРТ
Напруженість поля: 1.5-7 Тесла
Створюють детальні 3D-зображення м'яких тканин, мозку та органів
МЕГ (Магнітоенцефалографія)
Напруженість поля: 1-10 пікотесла
Вимірює активність мозку, виявляючи крихітні магнітні поля від нейронів
Магнітна гіпертермія
Напруженість поля: 0.01-0.1 Тесла
Нагріває магнітні наночастинки в пухлинах для знищення ракових клітин
ТМС (Транскраніальна магнітна стимуляція)
Напруженість поля: імпульси 1-2 Тесла
Лікує депресію, стимулюючи ділянки мозку магнітними імпульсами
Транспорт
Потяги на магнітній левітації (Маглев)
Напруженість поля: 1-4 Тесла
Левітують та рухають поїзди зі швидкістю понад 600 км/год з нульовим тертям
Електродвигуни
Напруженість поля: 0.5-2 Тесла
Перетворюють електричну енергію в механічний рух в електромобілях, побутовій техніці, роботах
Магнітні підшипники
Напруженість поля: 0.1-1 Тесла
Безконтактна опора для високошвидкісних турбін та маховиків
Зберігання даних та електроніка
Жорсткі диски
Напруженість поля: коерцитивність 200-300 кА/м
Зберігають дані в магнітних доменах; зчитувальні головки виявляють поля 0.1-1 мТл
Магнітна оперативна пам'ять (MRAM)
Напруженість поля: 10-100 мТл
Енергонезалежна пам'ять, що використовує магнітні тунельні переходи
Кредитні картки
Напруженість поля: 300-400 Е
Магнітні смуги, закодовані інформацією про рахунок
Поширені міфи та помилкові уявлення про магнітні поля
Тесла та Гаус вимірюють різні речі
Висновок: НЕПРАВДА
Обидва вимірюють одне й те саме (B-поле/густину потоку), просто в різних системах одиниць. Тесла — СІ, Гаус — СГС. 1 Тл = 10 000 Гс точно. Вони взаємозамінні, як метри та фути.
Можна вільно перетворювати між А/м та Тесла
Висновок: УМОВНО
Це правда лише у вакуумі/повітрі! У магнітних матеріалах перетворення залежить від проникності μᵣ. У залізі (μᵣ~2000) 1000 А/м створює 2.5 Тл, а не 0.00126 Тл. Завжди вказуйте своє припущення при перетворенні B ↔ H.
Магнітні поля небезпечні для людей
Висновок: ПЕРЕВАЖНО НЕПРАВДА
Статичні магнітні поля до 7 Тесла (апарати МРТ) вважаються безпечними. Ваше тіло прозоре для статичних магнітних полів. Занепокоєння існує щодо надзвичайно швидко змінних полів (індуковані струми) або полів понад 10 Тл. Поле Землі в 50 мкТл абсолютно нешкідливе.
'Напруженість' магнітного поля означає Тесла
Висновок: ДВОЗНАЧНО
Заплутано! У фізиці 'напруженість магнітного поля' конкретно означає H-поле (А/м). Але в розмовній мові люди кажуть 'сильне магнітне поле', маючи на увазі високе B-поле (Тесла). Завжди уточнюйте: B-поле чи H-поле?
Ерстед і Гаус — це одне й те саме
Висновок: НЕПРАВДА (АЛЕ БЛИЗЬКО)
У вакуумі: 1 Е ≈ 1 Гс чисельно, АЛЕ вони вимірюють різні величини! Ерстед вимірює H-поле (намагнічувальну силу), Гаус вимірює B-поле (густину потоку). Це як плутати силу з енергією — вони випадково мають схожі числа в повітрі, але фізично вони різні.
Електромагніти сильніші за постійні магніти
Висновок: ЗАЛЕЖИТЬ
Типові електромагніти: 0.1-2 Тл. Неодимові магніти: 1-1.4 Тл поле на поверхні. Але надпровідні електромагніти можуть досягати 20+ Тесла, значно перевершуючи будь-який постійний магніт. Електромагніти виграють в екстремальних полях; постійні магніти — в компактності та відсутності споживання енергії.
Магнітні поля не можуть проходити через матеріали
Висновок: НЕПРАВДА
Магнітні поля легко проникають через більшість матеріалів! Лише надпровідники повністю виштовхують B-поля (ефект Мейснера), а матеріали з високою проникністю (мю-метал) можуть перенаправляти силові лінії. Ось чому магнітне екранування складне — ви не можете просто 'заблокувати' поля, як це можна зробити з електричними полями.
Як вимірювати магнітні поля
Датчик ефекту Холла
Діапазон: від 1 мкТл до 10 Тл
Точність: ±1-5%
Вимірює: B-поле (Тесла/Гаус)
Найпоширеніший. Напівпровідниковий чіп, який видає напругу, пропорційну B-полю. Використовується в смартфонах (компас), гаусметрах та датчиках положення.
Переваги: Недорогий, компактний, вимірює статичні поля
Недоліки: Чутливий до температури, обмежена точність
Феррозондовий магнітометр
Діапазон: від 0.1 нТл до 1 мТл
Точність: ±0.1 нТл
Вимірює: B-поле (Тесла)
Використовує насичення магнітного сердечника для виявлення крихітних змін поля. Використовується в геофізиці, навігації та космічних місіях.
Переваги: Надзвичайно чутливий, чудово підходить для слабких полів
Недоліки: Не може вимірювати високі поля, дорожчий
СКВІД (Надпровідний квантовий інтерференційний пристрій)
Діапазон: від 1 фТл до 1 мТл
Точність: ±0.001 нТл
Вимірює: B-поле (Тесла)
Найчутливіший магнітометр. Вимагає охолодження рідким гелієм. Використовується в МЕГ-скануванні мозку та фундаментальних фізичних дослідженнях.
Переваги: Неперевершена чутливість (фемтотесла!)
Недоліки: Вимагає кріогенного охолодження, дуже дорогий
Пошукова котушка (індукційна котушка)
Діапазон: від 10 мкТл до 10 Тл
Точність: ±2-10%
Вимірює: Зміна в B-полі (dB/dt)
Котушка дроту, яка генерує напругу при зміні потоку. Не може вимірювати статичні поля — лише змінні або рухомі поля.
Переваги: Простий, надійний, здатний працювати з високими полями
Недоліки: Вимірює лише змінні поля, а не постійні
Котушка Роговського
Діапазон: від 1 А до 1 МА
Точність: ±1%
Вимірює: Струм (пов'язаний з H-полем)
Вимірює змінний струм, виявляючи створюване ним магнітне поле. Обмотується навколо провідника без контакту.
Переваги: Неінвазивний, широкий динамічний діапазон
Недоліки: Лише змінний струм, не вимірює поле безпосередньо
Найкращі практики перетворення магнітного поля
Найкращі практики
- Знайте тип вашого поля: B-поле (Тесла, Гаус) і H-поле (А/м, Ерстед) принципово різні
- Матеріал має значення: перетворення B↔H вимагає знання проникності. Припускайте вакуум, лише якщо впевнені!
- Використовуйте правильні префікси: мТл (мілітесла), мкТл (мікротесла), нТл (нанотесла) для читабельності
- Пам'ятайте, що 1 Тесла = 10 000 Гаусів точно (перетворення СІ проти СГС)
- У вакуумі: 1 А/м ≈ 1.257 мкТл (помножте на μ₀ = 4π×10⁻⁷)
- Для безпеки МРТ: завжди виражайте в Тесла, а не в Гаусах (міжнародний стандарт)
Поширені помилки, яких слід уникати
- Плутанина B-поля з H-полем: Тесла вимірює B, А/м вимірює H — абсолютно різні!
- Перетворення А/м в Тесла в матеріалах: вимагає магнітної проникності матеріалу, а не лише μ₀
- Використання Гаусса для сильних полів: використовуйте Тесла для ясності (1.5 Тл зрозуміліше, ніж 15 000 Гс)
- Припущення, що поле Землі дорівнює 1 Гауссу: насправді воно становить 0.25-0.65 Гаусса (25-65 мкТл)
- Забування про напрямок: магнітні поля — це вектори з величиною І напрямком
- Неправильне змішування Ерстеда з А/м: 1 Е = 79.577 А/м (не кругле число!)
Часті запитання
У чому різниця між Тесла та Гауссом?
Тесла (Тл) — це одиниця СІ, Гаусс (Гс) — це одиниця СГС. 1 Тесла = 10 000 Гаусів точно. Тесла є кращою для наукових та медичних застосувань, тоді як Гаусс все ще поширений у старій літературі та деяких промислових контекстах.
Чи можу я перетворити А/м безпосередньо в Тесла?
Лише у вакуумі/повітрі! У вакуумі: B (Тесла) = μ₀ × H (А/м), де μ₀ = 4π×10⁻⁷ ≈ 1.257×10⁻⁶ Тл·м/А. У магнітних матеріалах, таких як залізо, вам потрібна відносна магнітна проникність матеріалу (μᵣ), яка може бути від 1 до 100 000+. Наш конвертер припускає вакуум.
Чому існують два різні вимірювання магнітного поля?
B-поле (густина потоку) вимірює фактичну магнітну силу, що відчувається, включаючи ефекти матеріалу. H-поле (напруженість поля) вимірює намагнічувальну силу, що створює поле, незалежно від матеріалу. У вакуумі B = μ₀H, але в матеріалах B = μ₀μᵣH, де μᵣ значно варіюється.
Наскільки сильне магнітне поле Землі?
Поле Землі на поверхні коливається від 25 до 65 мікротесла (0.25-0.65 Гаусса). Воно найслабше на екваторі (~25 мкТл) і найсильніше на магнітних полюсах (~65 мкТл). Цього достатньо, щоб орієнтувати стрілки компаса, але в 20 000-280 000 разів слабше, ніж апарати МРТ.
Чи є 1 Тесла сильним магнітним полем?
Так! 1 Тесла приблизно в 20 000 разів сильніше, ніж поле Землі. Магніти на холодильнику мають ~0.001 Тл (10 Гс). Апарати МРТ використовують 1.5-7 Тл. Найсильніші лабораторні магніти досягають ~45 Тл. Лише нейтронні зірки перевищують мільйони Тесла.
Який зв'язок між Ерстедом та А/м?
1 Ерстед (Е) = 1000/(4π) А/м ≈ 79.577 А/м. Ерстед — це одиниця СГС для H-поля, тоді як А/м — це одиниця СІ. Коефіцієнт перетворення походить з визначення ампера та електромагнітних одиниць СГС.
Чому апарати МРТ використовують Тесла, а не Гаусс?
Міжнародні стандарти (IEC, FDA) вимагають використання Тесла для медичної візуалізації. Це дозволяє уникнути плутанини (1.5 Тл проти 15 000 Гс) та відповідає одиницям СІ. Зони безпеки МРТ визначаються в Тесла (рекомендації 0.5 мТл, 3 мТл).
Чи можуть бути магнітні поля небезпечними?
Статичні поля >1 Тл можуть заважати роботі кардіостимуляторів та притягувати феромагнітні об'єкти (небезпека снаряда). Змінні в часі поля можуть індукувати струми (стимуляція нервів). Протоколи безпеки МРТ суворо контролюють вплив. Поле Землі та типові магніти (<0.01 Тл) вважаються безпечними.
Повний Довідник Інструментів
Усі 71 інструменти, доступні на UNITS