Die Einheit Ampere pro Meter, das Symbol A/m, ist der ruhigere Partner in der gleichen Messkette, und es erscheint oft früher als die Tesla-Nummer, die zitiert wird.
Der Unterschied ist wichtig, weil A/m das magnetisierende Feld beschreibt, das durch den Strom selbst erzeugt wird. Das Feld der Erde kann ungefähr 40 A/m genauso korrekt angegeben werden wie 50 microtesla an einigen Orten; die beiden Aussagen sind durch eine Konstante verbunden. A/m erscheint auch in Zwangsspezifikationen, Kernverlustdaten und Solenoid-Designgleichungen, die für Ingenieure und nicht für Lehrbücher geschrieben wurden.
Der Ampere pro Meter ist die SI-Einheit der Magnetfeldstärke, allgemein als das H-Feld bezeichnet. Es ist eine abgeleitete Einheit: die Basiseinheit Ampere durch den SI-Basiseinheitsmeter geteilt. Seine Geschichte beginnt mit André-Marie Ampère und einem Tabletop-Experiment mit zwei parallelen Drähten im Jahr 1820, und seine moderne Definition änderte sich im Jahr 2019, als der Ampere in Bezug auf die elementare Ladung neu definiert wurde. Die praktische Wirkung dieser Änderung für die meisten Instrumente war vernachlässigbar. Seine Wirkung auf die Kalibrierungspapiere und auf den Wert der magnetischen Konstante war nicht.
Was A/M tatsächlich quantifiziert
H ist ein Vektorfeld, das den magnetisierenden Einfluss von freien elektrischen Strömen quantifiziert.In einem langen, eng verwundeten Solenoid ist die Formel kurz genug, um auf einer Motornamenplatte zu schreiben: Wenn n Drehungen pro Meter Wunde sind und einen Strom I tragen, ist das H-Feld innerhalb der Spule nI, ausgedrückt in Amperen pro Meter.
Das ist Ampères Kreislaufgesetz in seiner einfachsten Form.Die Linieintegral von H um einen geschlossenen Pfad ist gleich dem freien Strom eingeschlossen. H ist das Feld, das Sie aus der Spule erhalten, bevor das umgebende Material reagiert.
Magnetflussdichte B, gemessen in tesla, ist das Feld, das Kraft auf bewegliche Ladungen ausübt und Hall-Sensoren treibt.0 0H. Innerhalb eines magnetischen Materials ist B gleich μ0 0(H + M), wo M Magnetisierung ist, selbst gemessen in A / m. Die gemeinsame Einheit ist eine Quelle der Verwirrung: H und M sind beide Ampere pro Meter, aber H ist ein äußeres Erregungsfeld und M ist eine materielle Reaktion.
Die praktische Unterscheidung erscheint auf einem Ferritdatenblatt. Eine Spalte listet H in A/m, die Erregung. Eine andere listet B in millitesla, die resultierende Flussdichte. Ein Material, das unter einer Spalte bescheiden aussieht, kann unter der anderen außergewöhnlich sein, weil ein hoher Durchlässigkeitskern einen kleinen H in einen großen B verwandelt.
Zwei Wege im Jahre 1820
André-Marie Ampère entdeckte den Elektromagnetismus nicht von einem leeren Anfang. Im Juli 1820 kündigte Hans Christian Ørsted an, dass ein elektrischer Strom eine Kompassnadel abweicht. Ampère bewegte sich schnell, um das Phänomen auf ein Kraftgesetz zu reduzieren. Er zeigte, dass zwei parallele Leitungen anziehen, wenn ihre Ströme in die gleiche Richtung fließen und abstoßen, wenn die Ströme sich widersprechen. Die Kraft pro Einheit Länge ist proportional zum Produkt der Ströme und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Drähte.
1827 veröffentlichte Ampère seineMemoir über die mathematische Theorie der elektrodynamischen Phänomene, einzigartig aus Erfahrung abgeleitetDie Einheit wurde nach ihm 1881 auf dem Internationalen Elektrizitätskongress benannt, fast ein halbes Jahrhundert nach seinem Tod.Der Ampere pro Meter, den wir heute verwenden, ist eine abgeleitete SI-Einheit, die aus diesem Namen und einem gewöhnlichen Meter gebaut wurde.
Die Definition des Ampers änderte sich im Jahr 2019, als die Generalkonferenz für Gewichte und Maßnahmen die elementare Ladung e auf 1.602 176 634 × festlegte.- 19Coulomb. A/m brauchte keine separate Entscheidung; es folgt vom Ampere und dem Meter.NIST Einführung in die Ampere-Neudefinitionerklärt, warum die Größe des Ampers beibehalten wurde, während seine Definition Quanten wurde.
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Wo die Zahlen in der realen Welt sitzen
Das geomagnetische Feld der Erde an der Oberfläche reicht von etwa 25 μT bis 65 μT in der Flussdichte.0 0gibt ein H-Feld von ungefähr 20 A/m bis 52 A/m. Ein mittlerer Breitengradwert um 40 A/m ist bei Diskussionen in Größenordnung üblich.
Eine Spule mit 100 Umdrehungen pro Meter, die 1 A trägt, erzeugt H = 100 A/m. In der Luft ist das entsprechende B μ0 0× 100, der dem alten exakt festgelegten Wert 4π × 10 entspricht- 7× 100 = 1.2566 × 10- 4T, etwa 0,126 mT. Setzen Sie die gleiche Spule um einen Kern mit einer relativen Durchlässigkeit von 1.000 und das B-Feld kann sich 0,126 T nähern, obwohl die Sättigung die tatsächliche Zahl ändert.
Magnet-Grade machen die Skala intuitiv. Permanentmagnet-Datenblätter listet oft Zwangshaltung HcIn kA / m. Einige kommerzielle Neodym-Eisen-Bor-Grade liegen in den Hunderten bis Tausenden von kA / m. Diese Zahl ist das umgekehrte Feld, das benötigt wird, um die Magnetisierung auf Null zu bringen, und es ist eine Eigenschaft des Materials, die in H-Einheiten angegeben wird, anstatt B-Einheiten durch Konvention.
Konvertierung ohne Verlust der Physik
Die cgs-Einheit oersted bleibt auf älteren Instrumenten und Materialblättern bestehen.Ein oersted entspricht 1000 geteilt durch 4π Ampere pro Meter, oder ungefähr 79.577 A/m. Im Vakuum erzeugt 1 A/m etwa 1.2566 μT. Eine kurze Umrechnungstabelle ist nützlicher als ein Absatz der Annäherungen.
| von | Zwei | Multipliziert durch |
|---|---|---|
| Die Stadt (Oe) | A / M | von 79.577 |
| A/M im Vakuum | Das Unternehmen Microtesla (μT) | von 2566 |
| bei / m | A / M | Tausend |
Die Vakuumumumwandlung verwendet μ0 0Bis zum Jahr 2019 μ0 0war genau 4π × 10- 7henries pro Meter, weil der Ampere in Bezug auf die Kraft zwischen den Drähte definiert wurde.0 0ist eine experimentell bestimmte Konstante. Seine relative Unsicherheit beträgt etwa 1,5 × 10- 10, klein genug, um die meisten Konvertierungen unberührt zu lassen, aber groß genug, um in der Präzisionsmetrologie zu zählen.
Kalibrierung: Die Lücke zwischen Definition und Lesen
Eine Definition ist ein Versprechen. Kalibrierung ist die Lieferkette, die sie hält. Die SI-Broschüre kann die Ampere genau angeben; sie kann einem Magnetenhersteller nicht sagen, ob eine Partie von Hall-Sensoren nach einem Wärmezyklus tritt.
Wenn ein Labor ein Fluxgate oder eine Hallsonde kalibriert, vergleicht es im Allgemeinen das Gerät mit einer bekannten Feldquelle.Aktuelle Broschüredefiniert die Einheiten; das Kalibrierungsverfahren definiert, wie treu ein bestimmtes Instrument sie an einem Dienstagnachmittag realisiert.
Temperatur, Sondeausrichtung, AC versus DC-Erregung und sogar die Schrauben, die eine Anlage halten, können Fehler einführen, die weit größer sind als die Unsicherheit in der SI-Definition. Die Lücke zwischen einem Standard in Paris und einer Lesung in einer Motortestzelle ist kein Skandal.
Warum das H-Feld in einer Tesla-Welt überlebt
Alle paar Jahre prognostiziert jemand, dass A/m als Geräte in Tesla verblassen wird. Das passiert nicht, weil H direkt mit den Ampere-Wendungen in einer Spule verbunden ist. Ein Motorentwickler berechnet die magnetomotorische Kraft pro Meter, bevor er ein Material auswählt. Ein Transformator-Ingenieur verwendet H, um die B-H-Kurve eines Kerns zu lesen, wo die Form der Sättigung zählt. Ein Magnethersteller sagt Zwangsfähigkeit in kA/m, weil das Demagnetisierungsfeld, das einen Dauermagnet tötet, am besten in Feldstärke-Einheiten ausgedrückt wird.
Fluxgate- und Magnetoimpedanzsensoren, die häufig für niedrige Feldmessungen verwendet werden, können in Nanotesla berichten, aber ihre Kalibrierzertifikate folgen häufig den H-Feldstandards. Das duale Vokabular ist kein Versagen der Standardisierung; es ist eine Arbeitsteilung. B beschreibt Flussdichte und Kraft. H beschreibt Stromquellen und Magnetisierungsbedarf.
Die Biografie vonvon André-Marie AmpèreDie Einheit, die seinen Namen trägt, ist älter als das Telefon und das Stromnetz, aber sie arbeitet immer noch täglich in den ältesten und neuesten elektrischen Maschinen.
Was sich dann ändert, ist nicht die Definition
Das nächste Jahrzehnt wird keine weitere Neudefinition von A/m bringen.Es wird mehr Orte bringen, an denen die Einheit außerhalb eines Metrologielaboratoriums vertraut werden muss: Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge, drahtlose Ladepads, magnetische Mikrosensoren und Qualitätskontrollen in der Produktionslinie.Die schwierige Frage im zweiten Jahr nach jeder neuen Sonde oder Standard ist nicht, ob der SI korrekt ist.Es ist, ob die Lesung auf dem Fabrikbildschirm dem Kalibrierzertifikat entspricht und ob jemand den gleichen Sensor bei 40 Grad getestet hat.
Der Ampere pro Meter begann als eine Kraft zwischen zwei Drähten auf einem Tisch. Es wurde zu einer Gleichung, dann zu einer benannten Einheit, dann zu einer Infrastruktur von Standardspulen und Kalibrierlaboratorien, die die meisten Menschen nie sehen.