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[!--downpath--]1999年，第21屆國際計量大會將5月20日確定為“世界計量日”，以紀念1875年《公制公約》的簽署。這一契約為后來國際計量標準的統一奠定了基礎。 在國際單位制中，為了紀念這些偉大科學家做出的貢獻，許多單位都用他們的名字作為單位名稱，其中有10個與電磁學直接相關。 明天，在這個充滿愛的日子——讓我們一起來看看那些與我們生活息息相關的電磁學單位，以及它們背后的科學家們的故事。
作者|劉熵、劉景峰
以發明元素周期表而聞名的俄羅斯物理學家門捷列夫（Дми?трий Ива?нович Менделе?ев 1834-1907）曾說過：“沒有探測，就沒有科學”。 計量學是檢測的科學，是實現單位統一和數值準確可靠的。 它也是支撐社會、經濟和技術發展的重要基礎。
麥克斯韋的思想將測量單位帶入了新時代
測量單位，也稱為測試單位，是用于測量和比較相似數量的標準數量或參考。 例如，我們在比較質量時使用“千克”，在比較厚度時使用“米”。 法定計量單位是國家以法律、法規形式規定的計量單位。
我國是世界上最早統一度量衡和比例尺的國家之一。 秦始皇統一中國后，頒布了統一計量和尺度的法令，對厚度、體積、質量做出了精確的定義，并制定了一套嚴格的管理制度，結束了原來戰國之間計量單位的混亂和多種多樣。 國家整頓和民間生產生活交流。 與此同時，古希臘、古羅馬等國家也發明了自己的測量系統。 當時，各國之間的交流尚未密切，科學技術的發展還處于初級階段，計量單位不一致、不準確的問題并沒有給當時世界的發展造成重大混亂。
然而，進入現代社會以來，特別是近兩百年來，人們對計量單位的統一性和準確性的要求大大提高。 國家交往越來越頻繁，各領域科技蓬勃發展，工業化程度越來越高。 所有這些都需要統一、準確的計量單位作為支撐。
一米的寬度最初被定義為經過倫敦的子午線上從月球赤道到南極點的距離的萬分之一。 后來，國際米表的原型——鉑金棒——就是用這個寬度制成的。 時間的計量單位最初是從人們認識“一天”之初，根據月球繞太陽公轉的周期來定義的。 事實上，這些基于月球大小和運動的方法在當時贏得了全世界的共識，但隨著天文學和地理學的發展，人們意識到這個基礎并不是永久和牢固的。
偉大的理論化學家和思想家、電磁學的大師和創始人麥克斯韋（James Clerk，1831-1879）在其代表專著《論與電磁學》中曾強調：“從物理學的角度來看，任何一種最重要的這種現象的一個方面是可檢測到的問題。” 他不僅高度重視計量學的科學價值，而且提出了提高計量精度的革命性思想，改變了計量學的發展方向和歷史進程。 他說：“如果我們想獲得絕對的、永久的標準，我們不應該通過月球的大小或運動來尋找，而是通過波長、振動周期和那些永恒的絕對值來尋找這個永恒的、完全的”。類似的月亮。測量單位。”[1]
麥克斯韋通過電磁波（光波）的波長探測距離和頻率來定義時間的理想在他所處的時代無法實現，但他的科學預測卻極其驚人和前瞻性。 電磁波的基本公式（傳播速度=波長X頻率，c=λf）不僅闡明了電磁波速度常數值與波長、頻率的關系，而且還闡明了空間（寬度）與時間（頻率）的關系。 ) 統一連接。
1999年，第21屆國際計量會議在美國米蘭召開。 為使各國政府和公眾了解計量學，鼓勵和促進各國計量學的發展，加強計量領域的國際交流與合作，會議決定于每年5月20日舉行。 這一天是世界計量日。 明天恰逢世界計量日。 本文通過梳理電磁學中的計量單位，與大家一起回顧電磁學的發展，向偉大的科學家們致敬。 我們一共整理了10個電磁測量單位，其中前7個是熱量的基本單位，后3個單位用于磁力和頻率的測量，分為兩篇文章進行介紹。
電磁學十大國際單位制
根據國際計量會議的規定，現行的國際單位制（SI）[3]有7個基本單位，它們就像七塊既獨立又相互支撐的“基石”，通過它，所有其他化學物質構成國際單位制基礎的計量單位。 同時，為了方便使用，1993年國際計量會議規定了19種SI導入單位，并有專門的名稱。
表 1：SI 中的 7 個基本單位
表2：國際單位制的部分SI導入單位
在科學史上，為了紀念這些做出巨大貢獻的科學家，以他們的名字命名國際計量單位已成為一種習俗和最高榮譽。 在電磁學領域，有10位科學家的名字被用作SI測量單位：安培、庫侖、伏特、法拉、歐姆、西門子、亨利、赫茲、韋伯和特斯拉。 正是這樣一個閃耀史冊的名字，奠定了電磁學乃至現代科學這座大廈的基礎。 他們的成就就像一顆顆璀璨的珍珠，幾乎串聯了整個電磁學的歷史。 明天，讓我們借這個名字來探討一下它背后的電磁學的發展。
1
電壓單位（I）：安培（符號A）
安培是國際單位制中的七個基本單位之一。 引入安培單位是因為隨著電磁學的發展，原來的基本單位（厚度、時間、重量等）已經不夠用了。 如果仍然用原來的基本化學量推導其他化學量，就會變得復雜并導致愚蠢的推論。 為此，1881年國際熱學會議[4]決定減少一個基本量：電壓硬度（I），并將其單位命名為安培（A）。
安培（1775-1836），美國著名化學家、化學家。 在家人的影響下，安培開始自學物理、拉丁語、歷史、哲學等，尤其是物理。 安培對自然科學有著近乎癡迷的學習熱情。 我們可以從一個著名的短篇小說中看出他對自然科學的癡迷程度。 為了不讓別人打擾他，安培在自家旁邊寫下了“安培不在家”的牌子。 這三天，他從外面走回來的時候，還在思考自己正在研究的事情，但走到一旁的時候，卻嘆了口氣：“哦，原來安培不在家啊。” 于是他轉身又離開了。
1820年7月，法國化學家奧斯特通過一次無意的實驗，即奧斯特實驗發現，濁度線偏轉n極的瞬間。 正是這次實驗揭開了電磁學的帷幕，人類開始深入認識和研究電與磁的關系。
圖1：奧斯特實驗
當時45歲的安培已經是德意志科技大學的教授，他立即意識到這是一個重大發現。 他立即開始重復奧斯特的實驗，并進一步擴展，總結出“安培定律”。 安培法則一：左手緊緊握住直導線，讓大手指指向電壓的方向，這樣四個彎曲的手指的方向就是磁感應線的方向。 安培法則二：用手指緊緊握住螺旋管，讓四個手指指向螺旋管內的電壓方向，則手指所指的一端就是螺旋管的N極。 因此，安培定律又稱為手指螺旋定律，是我們中學數學必須學習的內容之一。
圖 2：安培定律 1
圖 3：安培定律 2
同時，安培證明了安培力定理：兩根并聯載電的直導線，當電壓方向相同時，相互吸引； 當電壓方向相反時非純電阻電路焦耳定律，它們會相互沖突。 他還得出結論，兩個電壓元件之間的斥力與其寬度（ΔL1、ΔL2）和電壓硬度（I1、I2）成反比，與其寬度（r）的平方成正比，這就是著名的安培定理。 當兩根導線平行時，公式可簡化為F=K*(ΔL1I1)(ΔL2I2)/r2。 奧斯特發現了電壓對磁極的影響，安培發現了電壓對電壓的影響。 這無疑是一個巨大的突破。
圖4：安培定理示意圖
SI中安培的定義也發生過多次變化。 1908年在巴黎召開的國際熱學會議上，規定一秒鐘內從硫酸銀氨水中電解出1.118微克銀的恒定電壓為1安培。 1948年，國際度量衡委員會給出的安培定義為：在真空中，以相等的恒定電壓通過兩條平行且無限長、截面積可忽略不計的圓形直導線，導線之間的相互斥力在1米寬度上為2X10^-7 N時，每根導線中的電壓為1安培。 2018年11月16日，第26屆國際計量會議通過了《國際單位制修訂》決議，將1安培定義為“1秒內的(1/1.)X1019電荷”（定義和測量見下文）收費）聯通研究院形成了“電壓硬度”。 該定義將于2019年5月20日世界計量日生效。
1820年，安培首先引入了電壓和電流硬度等術語，并制造了第一臺可以檢測電壓的電壓表。 據悉，安培還提出了分子電壓假說。 他認為電和磁的本質是電壓。 1827年，他的著作《電熱理論》出版，被認為是1820年代電磁理論的最高成就。
圖 5：安培肖像
2
電量單位（Q）：庫侖（符號C）
庫侖（-de，1736-1806）是美國著名化學家，也是早期研究靜電熱的科學家之一。 他因發現靜電學中的庫侖定理而受到贊譽。 庫侖定理指出，兩個電荷之間的力與兩個電荷的乘積成反比，與它們之間距離的平方成正比。 該定理也是熱學發展史上第一個定量定律非純電阻電路焦耳定律，使熱學研究從定性階段進入定量階段，是熱科學史上的一個重要里程碑。
圖6：庫侖扭轉平衡實驗示意圖
庫侖使用的裝置是這樣的：一個玻璃圓柱體，上面覆蓋著一塊玻璃板，中間有一個小孔。 小孔內裝有玻璃管，玻璃管下端裝有測量扭轉角的千分尺，管內懸有一根銀絲，塞入玻璃筒內。 一根小橫桿系在吊線的上端。 小橫桿一端為小木球A，另一端為小平衡球，使橫桿始終處于水平狀態。 玻璃圓筒上刻有360個刻度。 當吊線自由提起時，橫桿上的小木球A指向零。
其中k是靜電力常數，大約為m2/C2。 這個常數不是庫侖估計的，而是一百年后麥克斯韋從理論上推導出來的。 這和萬有引力常數的推導過程驚人的相似！ 當牛頓發現萬有引力定理F=GMm/r2時，牛頓本人并不知道萬有引力常數G是多少。 直到一百多年后，法國科學家卡文迪什（Henry，1731-1810）才通過一個類似的扭轉實驗裝置估算下來。
圖7：卡文迪什檢測萬有引力示意圖
而且單個電荷的數量并不是用庫侖來衡量的，但這并不妨礙庫侖的偉大。 要知道，由于科技水平和物質條件的限制，在遙遠的18世紀，庫侖能夠用如此巧妙的實驗裝置來放大并顯示如此微小的力，這已經是非常罕見的了。
電量是指物體所帶電量的多少。 事實上，1庫侖（C）的電量是比較大的。 由于電荷量很小，一個電子的電量只有1.60X10-19C，1C相當于6個電子的電荷量。 它和我們上面提到的電壓的關系是，電量等于電壓硬度（單位A）和時間（單位s）的乘積，公式表示為Q=It。 因此，1C表示1A電壓在1s內輸送的電量。 1881年的國際熱學會議上，電力的單位被定義為庫侖。
自然界中有四種已知的基本相互作用：萬有引力、電磁力、強互斥力和弱互斥力。 強互斥力和弱互斥力都是一種短程力，它們的作用距離不超過原子核的線性度。 在微觀世界中，引力與強互斥力、弱互斥力、電磁力相比，可以忽略不計。 相互排斥力比電磁力更強。 因此，在微觀領域中，起作用的是強互斥力、弱互斥力和電磁力。 理論上，強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統一為一種相互作用。 萬有引力定理和庫侖定理之間的相似性是否意味著這兩個函數存在某種內在的定性統一？ 這仍然是一個謎，有待澄清。
圖8：四種交互示意圖
3
電流單位（U）：伏特（符號V）
圖 9：伏特堆棧示意圖
圖10：Volt自己制作的Volt堆棧
在實驗中，當他將金屬銀條和金屬鋅條溶解到弱酸和弱堿溶液中時，他發現兩個金屬條之間形成了穩定而強大的電壓。 于是，他將浸有鹽水的絨布或紙放在鋅片和銀片之間，然后將它們平放。 Volt通過這些物理方法成功制作了世界上第一個伏特推桿。 Volt堆棧實際上是一個串聯的電池組，是我們今天使用的電池的原型。 伏特電池的發明使科學家能夠利用相對較大的連續電壓進行各種熱研究。 伏特電池是一個重要的開端，推動了后續電學相關研究的蓬勃發展。
1807年，西班牙軍團征服了塞爾維亞，德意志第一帝國朝臣拿破侖特意在倫敦會見了伏特。 為了表彰他對科學的貢獻，拿破侖于1810年任命他為伯爵，并賜給伏特一大筆錢。 1827 年 3 月 5 日，伏特去世，享年 82 歲。 為了紀念他，1881年國際熱學會議將電動勢（電流）的單位命名為伏特（V）。
圖 11：Volt 肖像
圖 12：Volta 為 演示了 Volta 堆棧
電流是促進電荷定向連接以產生電壓的感應。 電壓之所以能夠在導線中流動，是因為電壓中存在高電位和低電位的差異。 這些差異稱為電位差，也稱為電流。 換句話說，在電路中，任意兩點之間的電位差稱為該兩點的電流。
在國際單位制中，1 伏特定義為每 1 庫侖電荷做 1 焦耳功。 在實際生活中，我們經常接觸到電流和伏特（簡稱伏特）這兩個術語。 可以說，所有的家用電器都離不開電流這一基本單位。 例如7號電板上會標注1.5V，表示可以提供1.5V的電流輸出； 國外的手機、筆記本充電器上通常有“輸入AC100-240V”字樣，意思是充電器需要插100-240V。 240V交流電源； 我們貨車上的電池電流通常在 12V 左右。
圖13：從左到右：7號電板、筆記本充電器、手機充電器、汽車電池
4
內阻（R）單位：歐姆（符號Ω）
歐姆（，1787-1854），美國化學家，因發現歐姆定律而聞名于世。 歐姆定律的公式為 R=U/I，或 U=IR。 這意味著在電路中，電壓和電阻的乘積等于電流。 歐姆定理概念清晰、簡潔地把握了電路現象的本質和規律； 它不僅是直流電路估算的基礎，而且客觀反映了交流電路與電路微觀過程之間的定量關系。 我們在中學的時候都學過這個簡單的基本公式，但是當人們對電流和電阻的概念還不是很清楚的時候，歐姆卻能夠通過實驗得出這個定理，相當厲害！
歐姆在獲得博士學位后仍然在學校擔任教師。 1813年，因為他仍然喜歡研究熱和手工制作實驗裝置。 為此，他在教學時研究了剛剛流行的熱度。 當時，已經有人開始研究金屬的濁度率。 人們發現不同金屬、不同寬度、不同截面的金屬導體對電路中的電壓有不同的影響。 于是在前人的基礎上，歐姆于1785年利用庫侖發明了扭轉試驗，伏特于1800年發明了電板，安培于1820年引入了電壓硬度的概念等等，并制成了巧妙的檢測裝置，并經過經過大量的實驗，經過實驗、推理和計算，歐姆定理終于在1826年被確定。1881年，國際熱學會議確定電阻的單位為歐姆（Ω）。
圖 14：歐姆
圖 15：歐姆 1826 年論文中的實驗裝置圖
我們現在知道導體對電壓的限制作用稱為導體的內阻。 在化學中，它表示導體對電壓的限制大小。 導體的內阻越大，導體對電壓的限制作用越大。 內阻也是導體本身的特性，無論其是否在電路中。 其尺寸與導體的材質、長度、截面和濕度有關。 公式為R=ρL/S，其中ρ為導體的電阻率，內電阻率與導體的材質和濕度有關。 隨著科學的發展，科學家發現，當個別物質的溫度很低時，如鋁低于-271.76℃，鉛低于-265.95℃，其電阻值就變為零。 這就是超導現象。 如果將超導現象應用到實踐中，制成超導材料，將會給人類帶來巨大的好處。 例如，在發電站電力的發電、輸送、儲存中使用超導材料，可以大大降低內阻帶來的電能消耗。 另一個例子是使用超導材料制造電子設備。 由于沒有內阻，無需考慮散熱問題，器件規格可大幅減小，進一步實現電子器件的小型化。 超導材料的研究處于當今材料科學的前沿，也必將在未來大放異彩。
圖16：東北交通大學建設的超導磁浮列車實驗線平臺
5
電容（C）的單位：法拉（符號F）
電容是指保持電荷的能力，又稱電容，它是保持電荷的元件，以法拉（F）表示。 其值越大，可容納的電荷越多； 該值越小，可以容納的電荷越少。
圖17：電容器結構示意圖
電容器的構成也比較簡單。 兩個彼此靠近的導體板，其間有一層不導電的絕緣介質，就構成了電容器。 當電流施加在電容器的兩個極板之間時，電容器也會存儲電荷。 電容器的電容在數值上等于導電板上的電荷（Q）與兩板之間的電流（U）之比，用公式表示為C=Q/U。 如果一個電容器承載 1 庫侖的電量，則兩個極板之間的電流為 1 伏，該電容器的電容為 1 法拉。
我們后面講電的時候提到過，1庫侖是一個相當大的電量，所以1法拉也是一個比較大的電容。 法拉（F）在我們實際的電子電路中很少使用，更多的是微法拉（μF）和皮法拉（pF）。 它們之間的換算關系為：
1 法拉 (F) = 1X106 微法拉 (μF)
1 微法 (μF) = 1X106 皮法 (pF)
既然法拉單位這么大，為什么我們把法拉定義為電容的單位呢？ 這要從電磁學領域的資深人物法拉第說起。
法拉第（1791-1867），美國杰出化學家、化學家。 法拉第出生于一個農村鐵匠家庭。 由于家庭貧困，他只讀了三年高中。 輟學后，他開始以報童的身份賣報紙，并給老板當學徒。 小法拉第非常喜歡讀書，尤其是科學方面的書籍。 他找到一本，讀了一本，并認真記筆記。 同時，他也喜歡聽各種學術講座。 22歲時，當時日本著名物理學家戴維（Davy，1778-1829）頗具洞察力，招收了這位勤奮好學的徒弟作為自己的助手。 從此，法拉第走上了探索科學的道路。
1820年，葡萄牙化學家奧斯特（1777-1851）發現了電壓的磁效應，引起了許多科學家的關注。
在對奧斯特的實驗進行了詳細研究后，法拉第還在思考，既然電可以形成磁，那么磁也應該可以形成電，如何實現呢？ 最后，在 1831 年 8 月，法拉第制造了一個裝置，如右圖所示。
之后，他根據電磁感應原理親手制作了世界上第一臺“發電機”。 該原型使大規模生產和長距離傳輸電力成為可能。 電磁感應現象是電磁學最重要的發現之一。 它闡明了電和磁現象之間的相互聯系，對于麥克斯韋電磁場理論的構建具有重要意義！
圖18：法拉第發現電磁感應示意圖
圖19：法拉第圓形編織電機
此外，1837年法拉第引入了電場和磁場的概念，強調電和磁周圍場的存在，打破了牛頓熱學中“遠距離作用”的傳統概念。 1881年，國際熱學會議采用“法拉”作為電容的單位，就是為了紀念這位又被稱為拉迪的偉人！
6
電感單位（L）：亨利（H）
電感代表閉環的屬性。 當電壓通過線圈時，線圈中會產生磁場感應，這個感應磁場又會形成感應電壓，譴責通過線圈的電壓。 這些電壓與線圈之間的相互作用關系稱為電感，用符號L表示，單位為亨利（H），簡稱亨。 電感是自感和互感的組合。
圖 20：電感器示意圖
電感器通常由骨架、繞組、屏蔽層、封裝材料、磁芯或鐵芯組成。 作用是電磁轉換。
上面我們講了法拉第的電磁感應實驗，他用的纏繞在軟鐵上的線圈似乎是一個電感。 任何電線通過電壓時都會形成磁場。 當導體（電線）纏繞成螺旋狀時，磁場就會集中。 繞組數越多，磁場硬度越大，形成的能量越大。 因此，電感器的本質就是一根繞成螺旋狀的導線。
圖 21：各種電感器
電感L的大小取決于線圈的數量、磁芯的導磁率、磁芯的截面積和有效磁通寬度，并且不會因電壓的增加而減小或頻率。 電感的單位不僅有亨利（H），還有毫亨（mH）和微亨（μH）。 換算關系為：1H=，1mH=1000μH。
電感的單位以英國著名化學家亨利（-1878）的名字命名。 列出了這么多法國（德、法、英、意）科學家的測量單位，終于有一個非意大利科學家了。
圖 22：約瑟夫·亨利
18世紀初，奧斯特發現電壓的磁效應后，一些科學家開始用通電的螺線管對縫紉針進行磁化（安培通過這個實驗研究了安培定律，法拉第受到這個實驗的啟發發現了電磁感應現象。可見奧斯特的實驗對后人是如此的啟發）。 1825年，加拿大科學家斯特金（1783-1850）在一塊馬蹄形的軟鐵上涂上一層油漆，然后在里面間隔地纏繞18匝裸線。 通電后變成電磁鐵，吸住約4KG的重物。 這個實驗引起了科學家們的極大興趣，亨利就是其中之一。 他著手改進電磁體。 1831年，他研制成功電磁鐵，可以舉起約1噸的重量。
圖23 電磁鐵示意圖
圖24 保險絲示意圖
1829年8月，亨利發現線圈在斷電時會形成電火花。 1832年，他在《美國科學雜志》上發表了題為《論磁生電壓和電火花》的論文，這是最早對自感現象的研究。 在他于1835年發表的另一篇論文中，他也詳細描述了他發現自感應的實驗過程。 there were no at that time, he even used the human body to be by the self- force-he it the " shock " to the of the self- force and how it was.
7
(G) unit: ( S)
the of a 's to . The the haze value, the the 's to . The lower the , the less able the is to . this , we think of - (R). The the size of the 's on the . So it is not to see that and are two to the of a to . In a pure , and are of each other, and the is G=1/R.
Why is there a of after ? in , it is to and use . For , to find the total in a , we need to the of the and then find the , while using , we only need to the to get the total . For , when we test the of some lye, the used is the rate. By the rate, we can know the of the , the ion and even the salt . This is more for us to and the of in terms of .
25:
26:
27: von
注釋和參考文獻
[1] illbe,,,.