테슬라 (단위)

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1. 개요
2. 정의
3. 전기장과 자기장
4. 다른 단위와의 환산
5. 자기장 세기 예시
참조

1. 개요

테슬라(T)는 자기장의 세기를 나타내는 SI 유도 단위이다. 1 테슬라는 1 쿨롱의 전하가 1 테슬라의 자기장을 초당 1 미터의 속도로 수직으로 통과할 때 1 뉴턴의 힘을 받는 자기장의 세기로 정의된다. 테슬라는 Wb/m², kg/(A·s²), N/(A·m) 등 다양한 단위로 표현될 수 있으며, 가우스(G) 및 감마(γ)와 같은 다른 단위와의 환산 관계를 갖는다. 지구 자기장, 냉장고 자석, MRI 시스템 등 다양한 환경에서 자기장 세기의 예시를 제시한다.

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테슬라 (단위)
단위 정보
이름	테슬라
영어 이름	tesla
기호	T
단위계	SI
종류	조립 단위
물리량	자기장 자기 선속 밀도
정의
정의	자기 선속의 방향에 수직인 면 1 m²당 1 Wb의 자기 선속 밀도
SI 기본 단위	1 kg⋅s⁻²⋅A⁻¹
가우스 단위	≘
유래
명명	니콜라 테슬라
명명 이유	니콜라 테슬라의 업적을 기리기 위함

2. 정의

1쿨롱(C)의 전하를 띤 입자가 1테슬라(T)의 자기장을 초당 1미터(m/s)의 속도로 수직으로 통과할 때, 로렌츠 힘에 따라 크기가 1뉴턴(N)인 힘을 받는다. 즉,

: $\mathrm{T = \dfrac{N{\cdot}s}{C{\cdot}m}}.$

SI 유도 단위인 테슬라는 다른 단위로도 표현할 수 있다. 예를 들어, 1제곱미터의 면적을 통과하는 자속이 1베버(Wb)이면 자속밀도는 1테슬라이다.^[2] 즉,

: $\mathrm{T = \dfrac{Wb}{m^2}}.$

SI 기본 단위로만 표현하면 1테슬라는 다음과 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{kg}{A{\cdot}s^2}},$

여기서 A는 암페어, kg은 킬로그램, s는 초이다.^[2]

쿨롱을 암페어(A)로부터 유도한 추가적인 유도 단위 등가는 $\mathrm{C = A {\cdot} s}$ 와 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{N}{A{\cdot}m}},$

뉴턴과 줄(J)의 관계, $\mathrm{J = N {\cdot} m}$ :

: $\mathrm{T = \dfrac{J}{A{\cdot}m^2}},$

그리고 베버를 볼트(V)로부터 유도한 관계, $\mathrm{Wb = V {\cdot} s}$ :

: $\mathrm{T = \dfrac{V{\cdot}{s}}{m^2}}.$

1테슬라(tesla)는 "자속 방향에 수직인 면 1제곱미터당 1웨버의 자속밀도"(「계량형법」에 따름)로 정의된다.^[22] 즉, 웨버 매 제곱미터(Wb/m²)와 같다. 다른 단위로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

:T = Wb·m⁻² = V·s·m⁻² = N·A⁻¹·m⁻¹ = kg·C⁻¹·s⁻¹ = kg·A⁻¹·s⁻²^[23]

3. 전기장과 자기장

로렌츠 힘의 생성에서 전기장과 자기장의 차이점은 자기장이 대전입자에 작용하는 힘은 일반적으로 대전입자의 운동 때문이지만,^[3] 전기장이 대전입자에 작용하는 힘은 대전입자의 운동과는 무관하다는 점이다. 이는 각 단위(MKS 단위계)를 살펴보면 알 수 있는데, 전기장의 단위는 뉴턴/쿨롱(N/C)인 반면, 자기장(테슬라 단위)은 N/(C⋅m/s)로 표현할 수 있다. 두 종류의 장을 구분하는 요소는 미터/초(m/s) 즉, 속도이다. 이러한 관계는 정지된 전자기장이 순수하게 자기장으로, 순수하게 전기장으로, 또는 이들의 조합으로 보이는지 여부는 관찰자의 기준틀(즉, 장에 대한 관찰자의 속도)에 따라 달라짐을 바로 보여준다.^[4]^[5]

강자성체에서는 자기장을 생성하는 운동이 전자 스핀^[6](그리고 다소 미미하지만 전자의 궤도 각운동량)이다. 전류가 흐르는 도선(전자석)에서는 도선을 통과하는 전자의 운동(도선이 직선이든 원형이든) 때문이다.

4. 다른 단위와의 환산

1쿨롬(C)의 전하를 띤 입자가 1테슬라(T)의 자기장을 초당 1미터(m/s)의 속도로 수직으로 통과할 때, 로렌츠 힘에 따라 크기가 1뉴턴(N)인 힘을 받는다. 즉, 다음과 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{N{\cdot}s}{C{\cdot}m}}.$

SI 유도 단위인 테슬라는 다른 단위로도 표현할 수 있다. 예를 들어, 1제곱미터의 면적을 통과하는 자속이 1베버(Wb)이면 자속밀도는 1테슬라이다.^[2] 즉, 다음과 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{Wb}{m^2}}.$

SI 기본 단위로만 표현하면 1테슬라는 다음과 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{kg}{A{\cdot}s^2}},$

여기서 A는 암페어, kg은 킬로그램, s는 초이다.^[2]

쿨롱을 암페어(A)로부터 유도하면 $\mathrm{C = A {\cdot} s}$ 이므로, 다음과 같이 표현할 수 있다.

: $\mathrm{T = \dfrac{N}{A{\cdot}m}},$

뉴턴과 줄(J)의 관계는 $\mathrm{J = N {\cdot} m}$ 이므로, 다음과 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{J}{A{\cdot}m^2}},$

베버를 볼트(V)로부터 유도하면 $\mathrm{Wb = V {\cdot} s}$ 이므로, 다음과 같다.

: $\mathrm{T = \dfrac{V{\cdot}{s}}{m^2}}.$

1 테슬라(T)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.^[7]

10,000 (또는 10⁴) G (가우스), CGS 단위계에서 사용된다. 따라서 1 G = 10⁻⁴ T = 100 μT (마이크로테슬라)이다.
1,000,000,000 (또는 10⁹) γ (감마), 지구물리학에서 사용된다.^[8]

자화장의 단위(미터당 암페어 또는 에르스텟)와의 관계는 투자율 문서를 참조하면 된다.

1테슬라(tesla)는 "자속 방향에 수직인 면 1제곱미터당 1웨버의 자속밀도"(계량형법에 따름)로 정의된다.^[22] 즉, 웨버 매 제곱미터(Wb/m²)와 같다. 다른 단위로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

:T = Wb·m⁻² = V·s·m⁻² = N·A⁻¹·m⁻¹ = kg·C⁻¹·s⁻¹ = kg·A⁻¹·s⁻²^[23]

CGS 단위계의 가우스(G)는 맥스웰 매 제곱센티미터(Mx/cm²)로 정의되며, 1 m² = 10⁴ cm², 1 Wb ≒ 10⁸ Mx이므로, 1 T의 자속밀도는 가우스 단위계에서 약 10⁴ G에 해당한다.

1T = 10000 G
1 G = 10⁻⁴ T = 100 μT (마이크로테슬라)

엄밀히는, B = 1 T인 자속밀도가 있을 때, 가우스 단위계에서 이 자속밀도를 B_emu라고 하면, 다음과 같다.

:

\frac{B_\mathrm{emu}}{B} = \sqrt{\frac{4 \pi \times 10^{-7}}{\{\mu_0\}}} \times 10^4 \  \frac{\text{G}}{\text{T}}

루트 부분은 거의 1이지만 10⁻¹⁰ 정도 작다.

지구자기에 사용되는 감마(γ)는 10⁻⁹ T = 1 nT와 같다.

5. 자기장 세기 예시

자기장 세기	설명
31.869uT	위도 0°, 경도 0°에서의 지구 자기장 세기
40uT	고압 전력선 아래를 걸어갈 때
5mT	일반적인 냉장고 자석의 세기
0.3 T	태양 흑점의 세기
1 T ~ 2.4 T	일반적인 스피커 자석의 코일 간격
1.5 T ~ 3 T	실제 의료용 자기 공명 영상 시스템의 세기 (실험적으로 최대 17 T까지 가능)^[10]
4 T	CERN의 CMS 검출기 주변에 설치된 초전도 자석의 세기^[11]
5.16 T	특수 설계된 상온 할바흐 배열의 세기^[12]
8 T	LHC 자석의 세기
11.75 T	INUMAC 자석 (가장 큰 MRI 스캐너)의 세기^[13]
13 T	초전도 ITER 자석 시스템의 세기^[14]
14.5 T	페르미 연구소에서 가속기 조향 자석으로 기록된 최고 자기장 세기^[15]
16 T	개구리를 공중 부양하는 데 필요한 자기장 세기^[16] (신체 조직의 물에 대한 반자성 부상에 따름) 2000년 이그 노벨상 물리학상 수상^[17]
17.6 T	2014년 7월 기준 실험실에서 초전도체에 포획된 가장 강력한 자기장^[18]
27 T	극저온에서 초전도 전자석의 최대 자기장 세기
35.4 T	배경 자기장에서 초전도 전자석의 2009년 당시 세계 기록^[19]
45 T	2015년 당시 연속장 자석의 세계 기록^[19]
97.4 T	"비파괴적" 자석에 의해 생성된 가장 강력한 자기장^[20]
100 T	일반적인 백색왜성의 자기장 세기
1200 T	전자기 플럭스 압축 기술을 사용하여 형성된 약 100마이크로초 동안 지속되는 자기장^[21]
10⁹ T	전자기장 자체가 비선형이 될 것으로 예상되는 슈윙거 한계
10⁸ – 10¹¹ T (100 MT – 100 GT)	마그네타 중성자별의 자기장 세기 범위

참조

_[1] 웹사이트 Details of SI units http://www.sizes.com[...] sizes.com 2011-10-04
_[2] 서적 The International System of Units (SI), 8th edition http://www.bipm.org/[...] BIPM 2006
_[3] 서적 History of Science 1700 to Present The Teaching Company 2003
_[4] 서적 Conversations on electric and magnetic fields in the cosmos https://books.google[...] Princeton University press 2007
_[5] 서적 Electromagnetic and optical pulse propagation https://books.google[...] Springer 2006
_[6] 서적 Delmar's standard textbook of electricity https://books.google[...] Delmar Publishers 2003
_[7] 서적 McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd edition) McGraw Hill 1994
_[8] 웹사이트 gamma definition https://www.oxfordre[...] Oxford Reference 2024-01-02
_[9] 웹사이트 EMF: 7. Extremely low frequency fields like those from power lines and household appliances https://ec.europa.eu[...] 2022-05-13
_[10] 웹사이트 Ultra-High Field https://archive.toda[...] Bruker BioSpin 2011-10-04
_[11] 웹사이트 Superconducting Magnet in CMS http://cms.web.cern.[...] 2013-02-09
_[12] 웹사이트 The Strongest Permanent Dipole Magnet https://accelconf.we[...] 2020-05-02
_[13] 웹사이트 ISEULT – INUMAC http://irfu.cea.fr/e[...] 2014-02-17
_[14] 웹사이트 ITER – the way to new energy http://www.iter.org/[...] 2012-04-19
_[15] 웹사이트 Fermilab achieves 14.5-tesla field for accelerator magnet, setting new world record https://news.fnal.go[...] 2020-07-13
_[16] 학술지 Of Flying Frogs and Levitrons https://web.archive.[...] 1997
_[17] 웹사이트 The 2000 Ig Nobel Prize Winners http://www.improbabl[...] 2013-05-12
_[18] 웹사이트 Superconductor Traps The Strongest Magnetic Field Yet http://www.popsci.co[...] 2014-07-02
_[19] 웹사이트 Mag Lab World Records https://nationalmagl[...] National High Magnetic Field Laboratory, USA 2015-10-24
_[20] 뉴스 World record pulsed magnetic field https://physicsworld[...] 2022-01-26
_[21] 웹사이트 Magnetic field milestone https://www.u-tokyo.[...] 2018
_[22] 웹사이트 計量単位令（平成四年政令第三百五十七号）別表第一 https://laws.e-gov.g[...] e-Gov 2017-04-01
_[23] PDF 国際文書国際単位系 (SI) 第 8 版日本語版 (2006) https://www.nmij.jp/[...]
_[24] 웹사이트 sizes.com - details of SI units http://www.sizes.com[...]

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