本文介绍了两个与磁性有关的单位特斯拉（T）和韦伯（Wb），以及物理学和各个领域中常用的单位赫兹（Hz）。
作者 | 刘景峰
电磁学是物理学的一个分支学科，研究电与磁相互作用的现象、规律及其应用。在奥斯特发现电流的磁效应之前，人们一直认为电与磁是两种完全独立的现象。直到近代，随着人们对电与磁研究的深入，人们才发现它们之间有着如此密切的联系。
按照现代物理学的观点，磁现象是由运动的电荷产生的，因此电的范围必然不同程度地包括磁。其实，人们对磁的认识和利用要比电早得多。早在两三千年前，世界各地的人们就已发现自然界中自然产生的各种磁铁和“磁”的现象。有学者认为，在我国战国时期，人们已能制作和使用司南（指南针的前身）来辨别方向，尽管古人对“磁”的原理并不清楚。
图1：思南模型
图 2：指南针
现代磁学的诞生，始于1600年英国物理学家吉尔伯特（1544-1603）发表《磁学》。他用实验的方法提出地球本身就是一块大磁铁，还提出了“磁轴”、“磁子午线”等概念。18世纪末至19世纪初，库仑（-de 1736-1806）、泊松（-Denis 1781-1840）、格林（Green，1793-1841）等人先后通过实验和数学理论建立了静电学和静磁学，对电与磁的关系有了科学合理的初步认识。
上一篇文章我们讲了与电有关的7个国际计量单位，这篇文章我们将继续介绍两个源自磁性的国际单位特斯拉（T）和韦伯（Wb），以及一个不仅在电磁学中常用，在其他学科中也广泛使用的单位赫兹（Hz）。
磁感应强度（B）的国际单位：特斯拉（符号T）
特斯拉（1856-1943）是塞尔维亚裔美国物理学家、发明家，他是交流电、无线电、无线遥控、火花塞、X射线乃至水力发电工程的重要创造者和推动者，被公认为电力商业化的鼻祖。他一生最重要的贡献磁通量计算公式，就是主持设计了现代交流电系统，为电气时代的大发展奠定了基础。也正是因为如此，他的崇拜者把他奉为“20世纪的发明者”。1960年，为了纪念特斯拉，第11届国际度量衡会议决定将国际单位制中磁感应强度的单位命名为特斯拉。著名的美国特斯拉汽车公司的创始人，将自己公司生产的纯电动汽车命名为“特斯拉”，以向这位伟大的天才和先驱致敬。
图3：特斯拉
图 4：特斯拉汽车
图5：磁感应强度单位示意图
磁感应强度又称磁通密度或磁通密度，是描述磁场强度和方向的物理量，通常用符号B表示。其数值越大，磁感应强度越强，其数值越小，磁感应强度越弱。
那么1特斯拉代表什么磁感应强度呢？根据公式B=F/IL（其中F为垂直于磁场方向的载流导线所受的安培力，I为电流，L为导线长度）我们知道，如果将一根通以1A恒定电流的直导线垂直放置在均匀磁场中，对导线每米施加1N的力，则该均匀磁场的磁感应强度定义为1T。医院常用的核磁共振根据设备磁感应强度不同，分为1.5T、3T、4T等多种型号。
图6：德国西门子生产的3T MRI设备
相对来说1T的磁感应强度也相当大了，地球磁场的磁感应强度大约只有0.~0.
特斯拉是国际单位制。电磁单位制中还有另一个单位——高斯单位制。高斯单位也属于公制，它是由厘米-克-秒制演化而来。随着时间的推移，越来越多的国家逐渐放弃高斯单位制，采用国际单位制。在大多数领域，国际单位制也是使用的主要单位制。目前，高斯单位制必须与国际单位制挂钩才有实验意义，因为只有国际单位制才对每一个物理量有精确的定义。
高斯系统中表示磁感应强度的单位叫高斯（Gs），它与特斯拉的换算关系为1T=10 ...
卡尔·高斯（1777-1855）是著名的德国数学家、物理学家、天文学家。但是，能因为1特斯拉=10000高斯就说两者差距这么大吗？绝对不是这么简单的类比。
高斯被认为是历史上最重要的数学家之一，被誉为“数学王子”。高斯一生的成就数不胜数，以他的名字命名的数学概念至少有几十个，如高斯分布、高斯曲率等，都是数学家中最多的。
图7：“数学王子”高斯
除了数学之外，高斯在物理学、天文学等领域也创造了惊人的成就，他在电磁学方面的成就尤为突出。高斯于1831年开始进行电磁学的实验研究，1833年建成地磁观测台，成为当时观测和研究磁偏角变化的中心。同时，他和下面要提到的另一位物理学家韦伯合作，成功研制出德国第一台电磁电报设备。1839年，他建立了静电场中最基本的定理：高斯定理。
磁通量（Φ）的国际单位：韦伯（符号Wb）
韦伯（1804—1891）是德国著名物理学家。1843年，韦伯被聘为莱比锡大学物理学教授。此后，韦伯研究了电磁作用的基本定律。
图8：德国物理学家马克斯·韦伯
19世纪初，牛顿力学定律被成功应用于测量可见的重物，并在天文学上取得了惊人的成功。然而，并非所有已知的物理现象都能得到合理的解释。如何确定电、磁、热等不可测量物质的量度仍未得到解决，这是当时的一个重要研究方向。
为了研究这些基本性质，韦伯发明了许多电磁仪器。1841年，他发明了既能测量地磁强度又能测量电流强度的安培计；1846年，他发明了可用于测量交流电功率的电功率计；1853年，他还发明了测量地磁强度垂直分量的地磁传感器。1856年，他与科尔劳施（Arndt，1809-1858）测得了静电单位电荷与电磁单位电荷之比，为麦克斯韦（James Clerk，1831-1879）计算光速提供了支持。
此外，韦伯还与“数学王子”高斯一起研究磁学。韦伯负责做实验，高斯负责研究理论。韦伯的实验引起了高斯对物理问题的兴趣，而高斯则用数学来处理物理实验问题，这影响了韦伯的思想。1933年，国际电工委员会[1]采用“韦伯”作为磁通量的实用单位，并于1948年得到国际度量衡会议的认可。
磁通量是一个标量，符号Φ，它的计算公式为Φ=B·S·cosθ，其中θ为S与B的垂直平面的夹角。设在磁感应强度为B的均匀磁场中，存在一个面积为S且与磁场垂直的平面，则磁感应强度B与面积S的乘积就是穿过这个平面的磁通量。
图9：S与B有夹角时的磁通示意图
图10：S垂直于B时的磁通示意图
由此我们知道，磁通量的物理意义是通过一定面积的磁通线的数量。发电机的原理就是“切割磁通线”，而“切割磁通线”其实就是改变磁通量。改变磁通量就能产生电流，而电流的大小与磁通量变化的快慢有关。
图11：发电机示意图：转子旋转得越快，磁通变化越大，电流越大
1Wb的磁通量有多大呢？根据公式Φ=B·S·cosθ，我们可以算出来，在磁感应强度为1T的均匀磁场中，一个面积为1平方米的平面垂直于磁场方向，θ为零度，cosθ等于1，此时穿过这个平面的磁通量就是1Wb。因为1T的磁感应强度已经相当大了，所以1韦伯的磁通量也可以说是相当大的了。
韦伯（Wb）是国际单位制，高斯系统中表示磁通量的单位是麦克斯韦（Mx），它与韦伯的换算关系是1Wb=108Mx，即1韦伯等于1亿麦克斯韦，两者数量级明显要大一些。麦克斯韦是谁？本文第一部分介绍了他的计量思想。
图12：英国物理学家麦克斯韦
说起麦克斯韦，可以说物理界无人不知无人不晓。这位伟大的英国物理学家、数学家被认为是现代物理学中最具影响力的人物之一。他凭借过人的天赋和深厚的数学造诣，在电磁学、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性力学理论等方面都做出了成就。其中，最辉煌的成就莫过于电磁学。
1864年，他在伦敦皇家学会上宣读了《电磁场的动态理论》，首次完整阐述了他的电磁场理论，并完成了震惊世界的著名的麦克斯韦方程组，这个方程也被认为是人类历史上最伟大的公式之一。
图 13：积分形式的麦克斯韦方程组
麦克斯韦用精确的数学公式描述了电场和磁场的关系，近乎完美地统一了电和磁，并预言了电磁波的存在。德国科学家赫兹（1857-1894）相信麦克斯韦的理论。在麦克斯韦去世八年后，赫兹终于通过实验证实了电磁波的存在。电磁学大师麦克斯韦也被后人誉为“电磁学之父”。
频率（f）的单位：赫兹（符号Hz）
频率（f）是单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频率的量。其公式为f=1/t，可以看作是时间的倒数。其单位为赫兹（Hz），简写为Hz，表示1秒钟内周期性变化重复的次数。例如1Hz表示1秒钟内重复1次，2Hz表示重复2次，以此类推。因此，凡是具有周期性运动的物理现象，都会用到频率这个物理量。
在电磁学中，电磁波的频率较高，所以赫兹这个单位使用起来不太方便，所以电磁学中常用的单位有千赫兹（KHz）、兆赫兹（MHz）、千兆赫兹（GHz）等，其换算关系如下：
1千赫=1000赫兹=1×103赫兹
1 兆赫 = 1 000 000 赫兹 = 1 × 106 赫兹
1 GHz = 1 000 000 000 Hz = 1 × 109 Hz
图14：电磁波根据其频率分为上述几种类型。
德国物理学家赫兹因证实了电磁波的存在而被人们铭记。在赫兹之前，虽然法拉第发现了电磁感应现象，麦克斯韦也完成了比较完整的电磁理论体系，但从来没有人证实过电磁波的存在，整个电磁理论还处于“幻想”阶段。直到赫兹首先证实了电磁波的存在，理论才变成现实，天才的构想终于成为世人公认的真理。
图15 赫兹电磁波实验装置示意图
1888年，赫兹设计了一种谐振器来探测电磁波。这种谐振器很简单，只是一根粗铜线弯成一个环，环的两端分别连接着一个小球。左边的装置就是一个简单的电磁波发射器。接通电源后，感应线圈中就会产生振荡电流，振子中间的两个金属球之间就会发生放电，形成电火花。这时，距离发射器几米远的谐振器就会产生感应电流，两个球之间也会产生电火花。赫兹认为，这个电火花就是电磁波。这个实验成功地表明，感应线圈发出的能量确实辐射出去了，穿越了空间，被接收了。
图 16：赫兹
然而，赫兹虽然是第一个证实电磁波存在的人，但他从来没有想过电磁波能做什么，有什么用途，更没有想到未来的世界会被电磁波包围。
电磁波发现七年后，意大利的马可尼（1874-1937）和俄国的波波夫（1859-1906）分别独立实现了无线电信息的传输，无线电报很快便投入实用。其他利用电磁波原理的技术也如雨后春笋般涌现，包括无线电广播、无线电导航、无线电话、电视、微波通信、雷达、遥控、遥感、卫星通信、射电天文学等，深刻地改变了世界的面貌。人类的文明、技术与电磁波息息相关，电磁波已成为我们生活中不可或缺的一部分。
赫兹对人类社会的贡献无疑是巨大的，不可估量的，不幸的是，他于1894年1月1日因血液病去世，年仅36岁，为了纪念他，人们把频率的单位叫做赫兹。
铭记与传承
以上就是国际单位制中电磁学的十个计量单位的讨论，两百年来磁通量计算公式，正是这些科学家不断为电磁学的理论大厦做出贡献，让后人能够更好地理解、领悟并运用电磁波服务于我们现代的生活。这些电磁学的先驱者将被永远铭记，我们也以最直接的方式，以计量单位来命名他们，向他们致敬。
在21世纪的今天，如果我们回过头来梳理这些科学家的国籍，就会发现这些伟大的科学家无一例外都来自当时欧美等资本主义强国，即便是高斯体系的科学家（高斯来自德国，麦克斯韦来自英国，奥斯特来自丹麦）也不例外。
德国（4）：欧姆、西门子、赫兹、韦伯
美国（2）：亨利·特斯拉
法国（2）：安培、库仑
英国（1）：法拉第
意大利（1）：沃尔特
在整个18、19世纪，西方一直引领着世界科技的发展，尤其是在电磁学这个新兴领域。如果我们仔细考虑整个榜单中各个国家的人口比例，还能看到当时科技中心转移的趋势：从英国、法国转向德国、美国。
17世纪至18世纪初，英法等国掀起了欧洲启蒙运动，率先完成了第一次产业革命，成为当时世界上最先进的资本主义国家。在以电气时代为标志的第二次产业革命中，德美等国追赶甚至超过了英法这些老牌科技强国。德美等新兴资本主义国家开始占据科技中心，英法等老牌帝国开始衰落。当然这种衰落也是相对的，因为此时世界其他地区大多数国家还处于落后的农业社会时代。
德国和美国占据了10人榜单的一半以上（6人）。正是大量优秀科学家的不断涌现，才使得德国、美国等国家得以迅速崛起。此外，科学也是在国家内部传承的，一个国家产生伟大的科学家之后，会对本国人才产生更为有效和深远的影响，从而让更多优秀的科学家沿着前人的脚步不断探索，薪火相传，最终形成这个国家在该领域涌现出大批科学家的盛况。
现代社会以来，人们通过“科学→技术→生产”的发展模式，将人类发展推上了快车道。这些伟大的科学家建立起比较完备的电磁理论科学体系后，迅速指导了技术实践，电磁学很快在实际生产中得到广泛应用。19世纪末20世纪初，以马可尼、波波夫、费森登（1866-1932）等人为代表的新一代电磁学接班人，相继发明了无线电报、无线广播等新兴技术产品，彻底改变了人类的生产生活方式。
随着对电磁学的深入探索和研究，手机、WIFI、蓝牙、导航、雷达、微波炉、卫星通信、射电天文等电磁学的新应用、新技术、新产品不断涌现。电磁波已经渗透到我们生产生活的方方面面，我们已经离不开它了。
回顾历史是为了更好地前行，展望未来，人类文明不会停止前进的步伐，电磁学的发展也将继续推动科技的进步和社会的进步。
注释和参考文献
[1] 国际电工委员会（IEC）：成立于1906年，是世界上历史最悠久的国际电工标准化组织，负责电气工程和电子工程领域的国际标准化工作。其宗旨是促进电气、电子和相关技术领域有关电工标准化（如标准的符合性评定）一切问题的国际合作。截至2019年，IEC有86个正式成员和87个联络成员。IEC现任主席为中国工程院院士舒印彪。
