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歐姆符號（七個(gè)電學(xué)計(jì)量單位是怎么來的？）

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1999年，第21屆國際計(jì)量大會把5月20日設(shè)立為“世界計(jì)量日”，以紀(jì)念1875年“米制公約”簽署，這項(xiàng)協(xié)議為后來國際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一奠定了基礎(chǔ)。在國際單位制中，為了紀(jì)念那些偉大的科學(xué)家做出的貢獻(xiàn)，許多單位用了他們的名字作為單位名稱，其中與電磁學(xué)直接相關(guān)就有10位。今天，在這個(gè)特別有愛的日子里——讓我們看看與生活息息相關(guān)的電磁學(xué)單位，以及它們背后科學(xué)家的故事。

撰文 | 流熵、劉景峰

因發(fā)明元素周期表而聞名世界的俄國化學(xué)家門捷列夫（Дми?трий Ива?нович Менделе?ев 1834-1907）曾說過：“沒有測量，就沒有科學(xué)?！庇?jì)量正是關(guān)于測量的科學(xué)，是實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的活動，也是支撐社會、經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

麥克斯韋的思想使計(jì)量單位進(jìn)入新時(shí)代

計(jì)量單位又稱測量單位，是用來度量、比較同類量大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量或參考。比如，比較質(zhì)量時(shí)我們用“千克”，比較長度時(shí)我們用“米”等單位。而法定計(jì)量單位則是國家以法令的形式規(guī)定使用的計(jì)量單位。

我國是世界上最早統(tǒng)一度量衡的國家之一。秦始皇統(tǒng)一中國后便頒發(fā)了統(tǒng)一度量衡詔書，對長度、容積、質(zhì)量做出了精準(zhǔn)定義，制定了一套嚴(yán)格的管理制度，結(jié)束了原來各戰(zhàn)國之間的混亂、多樣的計(jì)量單位，方便了國家治理和民間生產(chǎn)生活往來。而同時(shí)期的古埃及、古羅馬等國家也都發(fā)明了各自的計(jì)量制度。彼時(shí)，國家之間來往尚不密切，科學(xué)技術(shù)發(fā)展還在初始階段，計(jì)量單位不統(tǒng)一、不精確的問題對當(dāng)時(shí)世界的發(fā)展造成的困擾尚不明顯。

然而，進(jìn)入近代社會以來，尤其近兩百年來，計(jì)量單位的統(tǒng)一及精確度的需求大大提高。各國之間交往越來越頻繁，各領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)大爆發(fā)大發(fā)展，工業(yè)化程度越來越高，這些都需要統(tǒng)一及精確的計(jì)量單位作為支撐。

一米的長度最初定義為通過巴黎的子午線上，從地球赤道到北極點(diǎn)的距離的千萬分之一，后來以這個(gè)長度制作了國際米原器——鉑桿。而時(shí)間的計(jì)量單位，最初從人們認(rèn)識“一天”開始，基于地球公轉(zhuǎn)太陽的周期來定義。雖然，這種以地球的大小和運(yùn)動作為計(jì)量基礎(chǔ)的方法贏得了當(dāng)時(shí)世界范圍的共識，但隨著天文學(xué)和地理學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識到這個(gè)基礎(chǔ)并不是永久而牢固的。

偉大的理論物理學(xué)家和思想家，電磁學(xué)的集大成者和奠基人麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831—1879）在其代表著作《電磁論》(Treatise on Electricity and Magnetism) 中曾指出：“從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，任何一種現(xiàn)象的最重要方面就是可測量的問題?！彼坏珜τ?jì)量的科學(xué)價(jià)值高度重視，還提出了提高計(jì)量精度的革命性思想，改變了計(jì)量的發(fā)展方向和歷史進(jìn)程。他說：“如果希望得到絕對恒久的標(biāo)準(zhǔn)，我們不能以地球的大小或運(yùn)動來尋找，而應(yīng)以波長、振動周期和這些永恒不變的絕對數(shù)值，來尋找這些永恒不變且完全相似的計(jì)量單元。”[1]

麥克斯韋利用電磁波（光波）的波長測量距離和頻率定義時(shí)間的理想，雖未能在他所生活的時(shí)代實(shí)現(xiàn)，但他這一科學(xué)預(yù)言極具震撼力和前瞻性。電磁波的基本公式（傳播速度=波長X頻率， c=λf ） 不但揭示了電磁波速度的恒定值與波長和頻率的關(guān)系，還揭示了空間（長度）和時(shí)間（頻率）之間對應(yīng)與統(tǒng)一的聯(lián)系。

1999年，在第21屆國際計(jì)量大會在法國巴黎召開，為了使各國政府和公眾了解計(jì)量，鼓勵和推動各國計(jì)量領(lǐng)域的發(fā)展，加強(qiáng)各國在計(jì)量領(lǐng)域的國際交流與合作，大會確定每年5月20日為世界計(jì)量日。今天恰逢世界計(jì)量日，本文通過梳理電磁學(xué)中的計(jì)量單位，和大家一起回顧電磁學(xué)的發(fā)展歷程，向偉大的科學(xué)家們致敬。我們共梳理出10個(gè)電磁學(xué)計(jì)量單位，其中前7個(gè)為電學(xué)基礎(chǔ)單位，后3個(gè)單位則用在磁學(xué)和頻率的計(jì)量中，分為前后兩篇文章進(jìn)行介紹。

十大電磁學(xué)國際單位制

根據(jù)國際計(jì)量大會規(guī)定，現(xiàn)在通行的國際單位制（SI）[3]有7個(gè)基本單位，它們好比七塊彼此獨(dú)立又相互支撐的“基石”，通過這7個(gè)基本單位能夠?qū)С鏊衅渌奈锢砹繂挝?，?gòu)成了國際單位制的基礎(chǔ)。同時(shí)，為了方便使用，1993年國際計(jì)量大會又規(guī)定了19個(gè)具有專門名稱的SI導(dǎo)出單位。

表1：國際單位制中的7個(gè)基本單位

表2：部分國際單位制SI導(dǎo)出單位

在科學(xué)史上，為了紀(jì)念那些做出重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家，以他們的名字來命名國際計(jì)量單位已成為一種慣例，也是至高榮譽(yù)。在電磁學(xué)領(lǐng)域，有10位科學(xué)家的名字作為了國際單位制計(jì)量單位，他們是：安培、庫侖、伏特、法拉、歐姆、西門子、亨利、赫茲、韋伯和特斯拉。正是這些彪炳史冊如雷貫耳的名字，奠定了電磁學(xué)乃至現(xiàn)代科學(xué)的巨廈之基，他們的成就如同璀璨明珠幾乎串聯(lián)起了整部電磁學(xué)史。今天讓我們透過這些名字來探究其背后的電磁學(xué)發(fā)展之路。

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電流（I）的單位：安培（符號A）

安培是國際單位制中7個(gè)基本單位之一。當(dāng)初引進(jìn)安培這個(gè)單位就是因?yàn)殡S著電磁學(xué)的發(fā)展，原有的基本單位（長度、時(shí)間、重量等）已經(jīng)不夠用了。如果仍然用原來的基本物理量推導(dǎo)出其他物理量，不僅繁瑣，而且會推導(dǎo)出荒謬的結(jié)論。因此，在1881年國際電學(xué)大會[4]上正式?jīng)Q定增加個(gè)基本量：電流強(qiáng)度（I），并把它的單位命名為安培（A）。

安培（1775 — 1836），是法國著名的物理學(xué)家、化學(xué)家。在家庭的影響下，安培自幼開始自學(xué)數(shù)學(xué)、拉丁文、歷史、哲學(xué)等，尤其在數(shù)學(xué)方面更是有著異人的天賦。安培對自然科學(xué)有著近乎癡迷的學(xué)習(xí)熱情，從那個(gè)有名的小故事中我們就能看出他對自然科學(xué)癡迷程度。為了不讓別人打擾他，安培在自己家的門口寫了“安培不在家”的提示牌。一天，他從外面走路回家時(shí)，頭腦中還思考著自己研究的東西，結(jié)果自己走到門口時(shí)，嘆了一聲，“哎，原來安培不在家啊?！庇谑撬ゎ^又走了。

1820年7月，丹麥物理學(xué)家奧斯特通過一個(gè)無意的實(shí)驗(yàn)，即奧斯特實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了通電導(dǎo)線的瞬間會使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)揭開了電磁學(xué)的大幕，人類開始深入了解并研究電與磁之間的關(guān)系。

圖1：奧斯特實(shí)驗(yàn)

當(dāng)時(shí)45歲，已經(jīng)是法蘭西科學(xué)院院士的安培馬上意識到這是個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，他立刻開始重復(fù)奧斯特的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步深入拓展，總結(jié)出了“安培定則”。安培定則1：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流方向，那么彎曲四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向。安培定則2：用右手握住螺旋線管，讓四指指向螺旋線管中的電流方向，則拇指所指的那端就是螺旋線管的N極。因此安培定則也叫右手螺旋法則，是我們高中物理必學(xué)的內(nèi)容之一。

圖2：安培定則1

圖3：安培定則2

同時(shí)，安培證明了安培力定律：兩根平行通電直導(dǎo)線，電流同向時(shí)，相互吸引；電流反向時(shí)，相互排斥。他還總結(jié)出兩個(gè)電流元之間的作用力正比于它們的長度（ΔL1, ΔL2）和電流強(qiáng)度（I1,I2），而與它們之間距離(r)平方成反比，即著名的安培定律。當(dāng)兩導(dǎo)線平行時(shí)，公式可以簡化為F=K*（ΔL1I1）（ΔL2I2）/r2。奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流對磁體的作用，而安培發(fā)現(xiàn)了電流對電流的作用，這無疑是巨大的突破。

圖4：安培定律示意圖

國際單位制中安培的定義也先后發(fā)生過幾次改變。1908年在倫敦舉行的國際電學(xué)大會上，定義1秒時(shí)間間隔內(nèi)從硝酸銀溶液中能電解出118毫克銀的恒定電流為1安培。1948年，國際計(jì)量委員會給出安培的定義為：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1米的平行且無限長的圓直導(dǎo)線內(nèi)，通以等量恒定電流，導(dǎo)線間相互作用力在1米長度上為2X10^-7牛時(shí)，則每根導(dǎo)線中的電流為1安培。2018年11月16日，第26屆國際計(jì)量大會通過“修訂國際單位制”決議，將1安培定義為“1s內(nèi)（1/602176634）X1019個(gè)電荷（電荷的定義及計(jì)量見下文）移動所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度”。此定義于2019年5月20日世界計(jì)量日起正式生效。

1820年，安培首先引入了電流、電流強(qiáng)度等名詞，還制造了第一個(gè)可測量電流的電流計(jì)。此外，安培還提出了分子電流假說，他認(rèn)為，電和磁的本質(zhì)是電流。1827年他的《電動力學(xué)理論》一書出版，該書被認(rèn)為是19世紀(jì)20年代電磁理論的最高成就。

圖5：安培畫像

2

電量（Q）的單位：庫侖（符號C）

庫侖（Charlse-Augustin de Coulomb，1736-1806）是法國著名的物理學(xué)家，早期研究靜電力學(xué)的科學(xué)家之一。他因發(fā)現(xiàn)靜電學(xué)中的庫侖定律而聞名于世。庫侖定律指兩個(gè)電荷間的力與兩個(gè)電荷量的乘積成正比，與兩者的距離平方成反比。該定律也是電學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)定量規(guī)律，它使電學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段，是電學(xué)史中的一塊重要的里程碑。

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