冻梨网欧姆符号(七个电学计量单位是怎么来的?)

欧姆符号(七个电学计量单位是怎么来的?)

欧姆符号(七个电学计量单位是怎么来的?)

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1999年,第21届国际计量大会把5月20日设立为“世界计量日”,以纪念1875年“米制公约”签署,这项协议为后来国际计量标准的统一奠定了基础。在国际单位制中,为了纪念那些伟大的科学家做出的贡献,许多单位用了他们的名字作为单位名称,其中与电磁学直接相关就有10位。今天,在这个特别有爱的日子里——让我们看看与生活息息相关的电磁学单位,以及它们背后科学家的故事。

撰文 | 流熵、刘景峰

因发明元素周期表而闻名世界的俄国化学家门捷列夫(Дми́трий Ива́нович Менделе́ев 1834-1907)曾说过:“没有测量,就没有科学。”计量正是关于测量的科学,是实现单位统一和量值准确可靠的活动,也是支撑社会、经济和科技发展的重要基础。

麦克斯韦的思想使计量单位进入新时代

计量单位又称测量单位,是用来度量、比较同类量大小的一个标准量或参考。比如,比较质量时我们用“千克”,比较长度时我们用“米”等单位。而法定计量单位则是国家以法令的形式规定使用的计量单位。

我国是世界上最早统一度量衡的国家之一。秦始皇统一中国后便颁发了统一度量衡诏书,对长度、容积、质量做出了精准定义,制定了一套严格的管理制度,结束了原来各战国之间的混乱、多样的计量单位,方便了国家治理和民间生产生活往来。而同时期的古埃及、古罗马等国家也都发明了各自的计量制度。彼时,国家之间来往尚不密切,科学技术发展还在初始阶段,计量单位不统一、不精确的问题对当时世界的发展造成的困扰尚不明显。

然而,进入近代社会以来,尤其近两百年来,计量单位的统一及精确度的需求大大提高。各国之间交往越来越频繁,各领域科学技术大爆发大发展,工业化程度越来越高,这些都需要统一及精确的计量单位作为支撑。

一米的长度最初定义为通过巴黎的子午线上,从地球赤道到北极点的距离的千万分之一,后来以这个长度制作了国际米原器——铂杆。而时间的计量单位,最初从人们认识“一天”开始,基于地球公转太阳的周期来定义。虽然,这种以地球的大小和运动作为计量基础的方法赢得了当时世界范围的共识,但随着天文学和地理学的发展,人们认识到这个基础并不是永久而牢固的。

伟大的理论物理学家和思想家,电磁学的集大成者和奠基人麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)在其代表著作《电磁论》(Treatise on Electricity and Magnetism) 中曾指出:“从数学的观点看,任何一种现象的最重要方面就是可测量的问题。”他不但对计量的科学价值高度重视,还提出了提高计量精度的革命性思想,改变了计量的发展方向和历史进程。他说:“如果希望得到绝对恒久的标准,我们不能以地球的大小或运动来寻找,而应以波长、振动周期和这些永恒不变的绝对数值,来寻找这些永恒不变且完全相似的计量单元。”[1]

麦克斯韦利用电磁波(光波)的波长测量距离和频率定义时间的理想,虽未能在他所生活的时代实现,但他这一科学预言极具震撼力和前瞻性。电磁波的基本公式(传播速度=波长X频率, c=λf ) 不但揭示了电磁波速度的恒定值与波长和频率的关系,还揭示了空间(长度)和时间(频率)之间对应与统一的联系。

1999年,在第21届国际计量大会在法国巴黎召开,为了使各国政府和公众了解计量,鼓励和推动各国计量领域的发展,加强各国在计量领域的国际交流与合作,大会确定每年5月20日为世界计量日。今天恰逢世界计量日,本文通过梳理电磁学中的计量单位,和大家一起回顾电磁学的发展历程,向伟大的科学家们致敬。我们共梳理出10个电磁学计量单位,其中前7个为电学基础单位,后3个单位则用在磁学和频率的计量中,分为前后两篇文章进行介绍。

十大电磁学国际单位制

根据国际计量大会规定,现在通行的国际单位制(SI)[3]有7个基本单位,它们好比七块彼此独立又相互支撑的“基石”,通过这7个基本单位能够导出所有其他的物理量单位,构成了国际单位制的基础。同时,为了方便使用,1993年国际计量大会又规定了19个具有专门名称的SI导出单位。

表1:国际单位制中的7个基本单位

表2:部分国际单位制SI导出单位

在科学史上,为了纪念那些做出重大贡献的科学家,以他们的名字来命名国际计量单位已成为一种惯例,也是至高荣誉。在电磁学领域,有10位科学家的名字作为了国际单位制计量单位,他们是:安培、库仑、伏特、法拉、欧姆、西门子、亨利、赫兹、韦伯和特斯拉。正是这些彪炳史册如雷贯耳的名字,奠定了电磁学乃至现代科学的巨厦之基,他们的成就如同璀璨明珠几乎串联起了整部电磁学史。今天让我们透过这些名字来探究其背后的电磁学发展之路。

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电流(I)的单位:安培(符号A)

安培是国际单位制中7个基本单位之一。当初引进安培这个单位就是因为随着电磁学的发展,原有的基本单位(长度、时间、重量等)已经不够用了。如果仍然用原来的基本物理量推导出其他物理量,不仅繁琐,而且会推导出荒谬的结论。因此,在1881年国际电学大会[4]上正式决定增加个基本量:电流强度(I),并把它的单位命名为安培(A)。

安培(1775 — 1836),是法国著名的物理学家、化学家。在家庭的影响下,安培自幼开始自学数学、拉丁文、历史、哲学等,尤其在数学方面更是有着异人的天赋。安培对自然科学有着近乎痴迷的学习热情,从那个有名的小故事中我们就能看出他对自然科学痴迷程度。为了不让别人打扰他,安培在自己家的门口写了“安培不在家”的提示牌。一天,他从外面走路回家时,头脑中还思考着自己研究的东西,结果自己走到门口时,叹了一声,“哎,原来安培不在家啊。”于是他扭头又走了。

1820年7月,丹麦物理学家奥斯特通过一个无意的实验,即奥斯特实验,发现了通电导线的瞬间会使磁针发生偏转。正是这个实验揭开了电磁学的大幕,人类开始深入了解并研究电与磁之间的关系。

图1:奥斯特实验

当时45岁,已经是法兰西科学院院士的安培马上意识到这是个重大的发现,他立刻开始重复奥斯特的实验,并进一步深入拓展,总结出了“安培定则”。安培定则1:用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流方向,那么弯曲四指的指向就是磁感线的环绕方向。安培定则2:用右手握住螺旋线管,让四指指向螺旋线管中的电流方向,则拇指所指的那端就是螺旋线管的N极。因此安培定则也叫右手螺旋法则,是我们高中物理必学的内容之一。

图2:安培定则1

图3:安培定则2

同时,安培证明了安培力定律:两根平行通电直导线,电流同向时,相互吸引;电流反向时,相互排斥。他还总结出两个电流元之间的作用力正比于它们的长度(ΔL1, ΔL2)和电流强度(I1,I2),而与它们之间距离(r)平方成反比,即著名的安培定律。当两导线平行时,公式可以简化为F=K*(ΔL1I1)(ΔL2I2)/r2。奥斯特发现了电流对磁体的作用,而安培发现了电流对电流的作用,这无疑是巨大的突破。

图4:安培定律示意图

国际单位制中安培的定义也先后发生过几次改变。1908年在伦敦举行的国际电学大会上,定义1秒时间间隔内从硝酸银溶液中能电解出1.118毫克银的恒定电流为1安培。1948年,国际计量委员会给出安培的定义为:在真空中,截面积可忽略的两根相距1米的平行且无限长的圆直导线内,通以等量恒定电流,导线间相互作用力在1米长度上为2X10^-7牛时,则每根导线中的电流为1安培。2018年11月16日,第26届国际计量大会通过“修订国际单位制”决议,将1安培定义为“1s内(1/1.602176634)X1019个电荷(电荷的定义及计量见下文)移动所产生的电流强度”。此定义于2019年5月20日世界计量日起正式生效。

1820年,安培首先引入了电流、电流强度等名词,还制造了第一个可测量电流的电流计。此外,安培还提出了分子电流假说,他认为,电和磁的本质是电流。1827年他的《电动力学理论》一书出版,该书被认为是19世纪20年代电磁理论的最高成就。

图5:安培画像

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电量(Q)的单位:库仑(符号C)

库仑(Charlse-Augustin de Coulomb,1736-1806)是法国著名的物理学家,早期研究静电力学的科学家之一。他因发现静电学中的库仑定律而闻名于世。库仑定律指两个电荷间的力与两个电荷量的乘积成正比,与两者的距离平方成反比。该定律也是电学发展史上的第一个定量规律,它使电学的研究从定性进入定量阶段,是电学史中的一块重要的里程碑。


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