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[!--downpath--]1999年，第21届国际计量大会将5月20日确定为“世界计量日”，以纪念1875年《公制公约》的签署。这一契约为后来国际计量标准的统一奠定了基础。 在国际单位制中，为了纪念这些伟大科学家做出的贡献，许多单位都用他们的名字作为单位名称，其中有10个与电磁学直接相关。 明天，在这个充满爱的日子——让我们一起来看看那些与我们生活息息相关的电磁学单位，以及它们背后的科学家们的故事。
作者|刘熵、刘景峰
以发明元素周期表而闻名的俄罗斯物理学家门捷列夫（Дми́трий Ива́нович Менделе́ев 1834-1907）曾说过：“没有探测，就没有科学”。 计量学是检测的科学，是实现单位统一和数值准确可靠的。 它也是支撑社会、经济和技术发展的重要基础。
麦克斯韦的思想将测量单位带入了新时代
测量单位，也称为测试单位，是用于测量和比较相似数量的标准数量或参考。 例如，我们在比较质量时使用“千克”，在比较厚度时使用“米”。 法定计量单位是国家以法律、法规形式规定的计量单位。
我国是世界上最早统一度量衡和比例尺的国家之一。 秦始皇统一中国后，颁布了统一计量和尺度的法令，对厚度、体积、质量做出了精确的定义，并制定了一套严格的管理制度，结束了原来战国之间计量单位的混乱和多种多样。 国家整顿和民间生产生活交流。 与此同时，古希腊、古罗马等国家也发明了自己的测量系统。 当时，各国之间的交流尚未密切，科学技术的发展还处于初级阶段，计量单位不一致、不准确的问题并没有给当时世界的发展造成重大混乱。
然而，进入现代社会以来，特别是近两百年来，人们对计量单位的统一性和准确性的要求大大提高。 国家交往越来越频繁，各领域科技蓬勃发展，工业化程度越来越高。 所有这些都需要统一、准确的计量单位作为支撑。
一米的宽度最初被定义为经过伦敦的子午线上从月球赤道到南极点的距离的万分之一。 后来，国际米表的原型——铂金棒——就是用这个宽度制成的。 时间的计量单位最初是从人们认识“一天”之初，根据月球绕太阳公转的周期来定义的。 事实上，这些基于月球大小和运动的方法在当时赢得了全世界的共识，但随着天文学和地理学的发展，人们意识到这个基础并不是永久和牢固的。
伟大的理论化学家和思想家、电磁学的大师和创始人麦克斯韦（James Clerk，1831-1879）在其代表专着《论与电磁学》中曾强调：“从物理学的角度来看，任何一种最重要的这种现象的一个方面是可检测到的问题。” 他不仅高度重视计量学的科学价值，而且提出了提高计量精度的革命性思想，改变了计量学的发展方向和历史进程。 他说：“如果我们想获得绝对的、永久的标准，我们不应该通过月球的大小或运动来寻找，而是通过波长、振动周期和那些永恒的绝对值来寻找这个永恒的、完全的”。类似的月亮。测量单位。”[1]
麦克斯韦通过电磁波（光波）的波长探测距离和频率来定义时间的理想在他所处的时代无法实现，但他的科学预测却极其惊人和前瞻性。 电磁波的基本公式（传播速度=波长X频率，c=λf）不仅阐明了电磁波速度常数值与波长、频率的关系，而且还阐明了空间（宽度）与时间（频率）的关系。 ) 统一连接。
1999年，第21届国际计量会议在美国米兰召开。 为使各国政府和公众了解计量学，鼓励和促进各国计量学的发展，加强计量领域的国际交流与合作，会议决定于每年5月20日举行。 这一天是世界计量日。 明天恰逢世界计量日。 本文通过梳理电磁学中的计量单位，与大家一起回顾电磁学的发展，向伟大的科学家们致敬。 我们一共整理了10个电磁测量单位，其中前7个是热量的基本单位，后3个单位用于磁力和频率的测量，分为两篇文章进行介绍。
电磁学十大国际单位制
根据国际计量会议的规定，现行的国际单位制（SI）[3]有7个基本单位，它们就像七块既独立又相互支撑的“基石”，通过它，所有其他化学物质构成国际单位制基础的计量单位。 同时，为了方便使用，1993年国际计量会议规定了19种SI导入单位，并有专门的名称。
表 1：SI 中的 7 个基本单位
表2：国际单位制的部分SI导入单位
在科学史上，为了纪念这些做出巨大贡献的科学家，以他们的名字命名国际计量单位已成为一种习俗和最高荣誉。 在电磁学领域，有10位科学家的名字被用作SI测量单位：安培、库仑、伏特、法拉、欧姆、西门子、亨利、赫兹、韦伯和特斯拉。 正是这样一个闪耀史册的名字，奠定了电磁学乃至现代科学这座大厦的基础。 他们的成就就像一颗颗璀璨的珍珠，几乎串联了整个电磁学的历史。 明天，让我们借这个名字来探讨一下它背后的电磁学的发展。
1
电压单位（I）：安培（符号A）
安培是国际单位制中的七个基本单位之一。 引入安培单位是因为随着电磁学的发展，原来的基本单位（厚度、时间、重量等）已经不够用了。 如果仍然用原来的基本化学量推导其他化学量，就会变得复杂并导致愚蠢的推论。 为此，1881年国际热学会议[4]决定减少一个基本量：电压硬度（I），并将其单位命名为安培（A）。
安培（1775-1836），美国著名化学家、化学家。 在家人的影响下，安培开始自学物理、拉丁语、历史、哲学等，尤其是物理。 安培对自然科学有着近乎痴迷的学习热情。 我们可以从一个著名的短篇小说中看出他对自然科学的痴迷程度。 为了不让别人打扰他，安培在自家旁边写下了“安培不在家”的牌子。 这三天，他从外面走回来的时候，还在思考自己正在研究的事情，但走到一旁的时候，却叹了口气：“哦，原来安培不在家啊。” 于是他转身又离开了。
1820年7月，法国化学家奥斯特通过一次无意的实验，即奥斯特实验发现，浊度线偏转n极的瞬间。 正是这次实验揭开了电磁学的帷幕，人类开始深入认识和研究电与磁的关系。
图1：奥斯特实验
当时45岁的安培已经是德意志科技大学的教授，他立即意识到这是一个重大发现。 他立即开始重复奥斯特的实验，并进一步扩展，总结出“安培定律”。 安培法则一：左手紧紧握住直导线，让大手指指向电压的方向，这样四个弯曲的手指的方向就是磁感应线的方向。 安培法则二：用手指紧紧握住螺旋管，让四个手指指向螺旋管内的电压方向，则手指所指的一端就是螺旋管的N极。 因此，安培定律又称为手指螺旋定律，是我们中学数学必须学习的内容之一。
图 2：安培定律 1
图 3：安培定律 2
同时，安培证明了安培力定理：两根并联载电的直导线，当电压方向相同时，相互吸引； 当电压方向相反时非纯电阻电路焦耳定律，它们会相互冲突。 他还得出结论，两个电压元件之间的斥力与其宽度（ΔL1、ΔL2）和电压硬度（I1、I2）成反比，与其宽度（r）的平方成正比，这就是著名的安培定理。 当两根导线平行时，公式可简化为F=K*(ΔL1I1)(ΔL2I2)/r2。 奥斯特发现了电压对磁极的影响，安培发现了电压对电压的影响。 这无疑是一个巨大的突破。
图4：安培定理示意图
SI中安培的定义也发生过多次变化。 1908年在巴黎召开的国际热学会议上，规定一秒钟内从硫酸银氨水中电解出1.118微克银的恒定电压为1安培。 1948年，国际度量衡委员会给出的安培定义为：在真空中，以相等的恒定电压通过两条平行且无限长、截面积可忽略不计的圆形直导线，导线之间的相互斥力在1米宽度上为2X10^-7 N时，每根导线中的电压为1安培。 2018年11月16日，第26届国际计量会议通过了《国际单位制修订》决议，将1安培定义为“1秒内的(1/1.)X1019电荷”（定义和测量见下文）收费）联通研究院形成了“电压硬度”。 该定义将于2019年5月20日世界计量日生效。
1820年，安培首先引入了电压和电流硬度等术语，并制造了第一台可以检测电压的电压表。 据悉，安培还提出了分子电压假说。 他认为电和磁的本质是电压。 1827年，他的著作《电热理论》出版，被认为是1820年代电磁理论的最高成就。
图 5：安培肖像
2
电量单位（Q）：库仑（符号C）
库仑（-de，1736-1806）是美国著名化学家，也是早期研究静电热的科学家之一。 他因发现静电学中的库仑定理而受到赞誉。 库仑定理指出，两个电荷之间的力与两个电荷的乘积成反比，与它们之间距离的平方成正比。 该定理也是热学发展史上第一个定量定律非纯电阻电路焦耳定律，使热学研究从定性阶段进入定量阶段，是热科学史上的一个重要里程碑。
图6：库仑扭转平衡实验示意图
库仑使用的装置是这样的：一个玻璃圆柱体，上面覆盖着一块玻璃板，中间有一个小孔。 小孔内装有玻璃管，玻璃管下端装有测量扭转角的千分尺，管内悬有一根银丝，塞入玻璃筒内。 一根小横杆系在吊线的上端。 小横杆一端为小木球A，另一端为小平衡球，使横杆始终处于水平状态。 玻璃圆筒上刻有360个刻度。 当吊线自由提起时，横杆上的小木球A指向零。
其中k是静电力常数，大约为m2/C2。 这个常数不是库仑估计的，而是一百年后麦克斯韦从理论上推导出来的。 这和万有引力常数的推导过程惊人的相似！ 当牛顿发现万有引力定理F=GMm/r2时，牛顿本人并不知道万有引力常数G是多少。 直到一百多年后，法国科学家卡文迪什（Henry，1731-1810）才通过一个类似的扭转实验装置估算下来。
图7：卡文迪什检测万有引力示意图
而且单个电荷的数量并不是用库仑来衡量的，但这并不妨碍库仑的伟大。 要知道，由于科技水平和物质条件的限制，在遥远的18世纪，库仑能够用如此巧妙的实验装置来放大并显示如此微小的力，这已经是非常罕见的了。
电量是指物体所带电量的多少。 事实上，1库仑（C）的电量是比较大的。 由于电荷量很小，一个电子的电量只有1.60X10-19C，1C相当于6个电子的电荷量。 它和我们上面提到的电压的关系是，电量等于电压硬度（单位A）和时间（单位s）的乘积，公式表示为Q=It。 因此，1C表示1A电压在1s内输送的电量。 1881年的国际热学会议上，电力的单位被定义为库仑。
自然界中有四种已知的基本相互作用：万有引力、电磁力、强互斥力和弱互斥力。 强互斥力和弱互斥力都是一种短程力，它们的作用距离不超过原子核的线性度。 在微观世界中，引力与强互斥力、弱互斥力、电磁力相比，可以忽略不计。 相互排斥力比电磁力更强。 因此，在微观领域中，起作用的是强互斥力、弱互斥力和电磁力。 理论上，强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一为一种相互作用。 万有引力定理和库仑定理之间的相似性是否意味着这两个函数存在某种内在的定性统一？ 这仍然是一个谜，有待澄清。
图8：四种交互示意图
3
电流单位（U）：伏特（符号V）
图 9：伏特堆栈示意图
图10：Volt自己制作的Volt堆栈
在实验中，当他将金属银条和金属锌条溶解到弱酸和弱碱溶液中时，他发现两个金属条之间形成了稳定而强大的电压。 于是，他将浸有盐水的绒布或纸放在锌片和银片之间，然后将它们平放。 Volt通过这些物理方法成功制作了世界上第一个伏特推杆。 Volt堆栈实际上是一个串联的电池组，是我们今天使用的电池的原型。 伏特电池的发明使科学家能够利用相对较大的连续电压进行各种热研究。 伏特电池是一个重要的开端，推动了后续电学相关研究的蓬勃发展。
1807年，西班牙军团征服了塞尔维亚，德意志第一帝国朝臣拿破仑特意在伦敦会见了伏特。 为了表彰他对科学的贡献，拿破仑于1810年任命他为伯爵，并赐给伏特一大笔钱。 1827 年 3 月 5 日，伏特去世，享年 82 岁。 为了纪念他，1881年国际热学会议将电动势（电流）的单位命名为伏特（V）。
图 11：Volt 肖像
图 12：Volta 为 演示了 Volta 堆栈
电流是促进电荷定向连接以产生电压的感应。 电压之所以能够在导线中流动，是因为电压中存在高电位和低电位的差异。 这些差异称为电位差，也称为电流。 换句话说，在电路中，任意两点之间的电位差称为该两点的电流。
在国际单位制中，1 伏特定义为每 1 库仑电荷做 1 焦耳功。 在实际生活中，我们经常接触到电流和伏特（简称伏特）这两个术语。 可以说，所有的家用电器都离不开电流这一基本单位。 例如7号电板上会标注1.5V，表示可以提供1.5V的电流输出； 国外的手机、笔记本充电器上通常有“输入AC100-240V”字样，意思是充电器需要插100-240V。 240V交流电源； 我们货车上的电池电流通常在 12V 左右。
图13：从左到右：7号电板、笔记本充电器、手机充电器、汽车电池
4
内阻（R）单位：欧姆（符号Ω）
欧姆（，1787-1854），美国化学家，因发现欧姆定律而闻名于世。 欧姆定律的公式为 R=U/I，或 U=IR。 这意味着在电路中，电压和电阻的乘积等于电流。 欧姆定理概念清晰、简洁地把握了电路现象的本质和规律； 它不仅是直流电路估算的基础，而且客观反映了交流电路与电路微观过程之间的定量关系。 我们在中学的时候都学过这个简单的基本公式，但是当人们对电流和电阻的概念还不是很清楚的时候，欧姆却能够通过实验得出这个定理，相当厉害！
欧姆在获得博士学位后仍然在学校担任教师。 1813年，因为他仍然喜欢研究热和手工制作实验装置。 为此，他在教学时研究了刚刚流行的热度。 当时，已经有人开始研究金属的浊度率。 人们发现不同金属、不同宽度、不同截面的金属导体对电路中的电压有不同的影响。 于是在前人的基础上，欧姆于1785年利用库仑发明了扭转试验，伏特于1800年发明了电板，安培于1820年引入了电压硬度的概念等等，并制成了巧妙的检测装置，并经过经过大量的实验，经过实验、推理和计算，欧姆定理终于在1826年被确定。1881年，国际热学会议确定电阻的单位为欧姆（Ω）。
图 14：欧姆
图 15：欧姆 1826 年论文中的实验装置图
我们现在知道导体对电压的限制作用称为导体的内阻。 在化学中，它表示导体对电压的限制大小。 导体的内阻越大，导体对电压的限制作用越大。 内阻也是导体本身的特性，无论其是否在电路中。 其尺寸与导体的材质、长度、截面和湿度有关。 公式为R=ρL/S，其中ρ为导体的电阻率，内电阻率与导体的材质和湿度有关。 随着科学的发展，科学家发现，当个别物质的温度很低时，如铝低于-271.76℃，铅低于-265.95℃，其电阻值就变为零。 这就是超导现象。 如果将超导现象应用到实践中，制成超导材料，将会给人类带来巨大的好处。 例如，在发电站电力的发电、输送、储存中使用超导材料，可以大大降低内阻带来的电能消耗。 另一个例子是使用超导材料制造电子设备。 由于没有内阻，无需考虑散热问题，器件规格可大幅减小，进一步实现电子器件的小型化。 超导材料的研究处于当今材料科学的前沿，也必将在未来大放异彩。
图16：东北交通大学建设的超导磁浮列车实验线平台
5
电容（C）的单位：法拉（符号F）
电容是指保持电荷的能力，又称电容，它是保持电荷的元件，以法拉（F）表示。 其值越大，可容纳的电荷越多； 该值越小，可以容纳的电荷越少。
图17：电容器结构示意图
电容器的构成也比较简单。 两个彼此靠近的导体板，其间有一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器。 当电流施加在电容器的两个极板之间时，电容器也会存储电荷。 电容器的电容在数值上等于导电板上的电荷（Q）与两板之间的电流（U）之比，用公式表示为C=Q/U。 如果一个电容器承载 1 库仑的电量，则两个极板之间的电流为 1 伏，该电容器的电容为 1 法拉。
我们后面讲电的时候提到过，1库仑是一个相当大的电量，所以1法拉也是一个比较大的电容。 法拉（F）在我们实际的电子电路中很少使用，更多的是微法拉（μF）和皮法拉（pF）。 它们之间的换算关系为：
1 法拉 (F) = 1X106 微法拉 (μF)
1 微法 (μF) = 1X106 皮法 (pF)
既然法拉单位这么大，为什么我们把法拉定义为电容的单位呢？ 这要从电磁学领域的资深人物法拉第说起。
法拉第（1791-1867），美国杰出化学家、化学家。 法拉第出生于一个农村铁匠家庭。 由于家庭贫困，他只读了三年高中。 辍学后，他开始以报童的身份卖报纸，并给老板当学徒。 小法拉第非常喜欢读书，尤其是科学方面的书籍。 他找到一本，读了一本，并认真记笔记。 同时，他也喜欢听各种学术讲座。 22岁时，当时日本著名物理学家戴维（Davy，1778-1829）颇具洞察力，招收了这位勤奋好学的徒弟作为自己的助手。 从此，法拉第走上了探索科学的道路。
1820年，葡萄牙化学家奥斯特（1777-1851）发现了电压的磁效应，引起了许多科学家的关注。
在对奥斯特的实验进行了详细研究后，法拉第还在思考，既然电可以形成磁，那么磁也应该可以形成电，如何实现呢？ 最后，在 1831 年 8 月，法拉第制造了一个装置，如右图所示。
之后，他根据电磁感应原理亲手制作了世界上第一台“发电机”。 该原型使大规模生产和长距离传输电力成为可能。 电磁感应现象是电磁学最重要的发现之一。 它阐明了电和磁现象之间的相互联系，对于麦克斯韦电磁场理论的构建具有重要意义！
图18：法拉第发现电磁感应示意图
图19：法拉第圆形编织电机
此外，1837年法拉第引入了电场和磁场的概念，强调电和磁周围场的存在，打破了牛顿热学中“远距离作用”的传统概念。 1881年，国际热学会议采用“法拉”作为电容的单位，就是为了纪念这位又被称为拉迪的伟人！
6
电感单位（L）：亨利（H）
电感代表闭环的属性。 当电压通过线圈时，线圈中会产生磁场感应，这个感应磁场又会形成感应电压，谴责通过线圈的电压。 这些电压与线圈之间的相互作用关系称为电感，用符号L表示，单位为亨利（H），简称亨。 电感是自感和互感的组合。
图 20：电感器示意图
电感器通常由骨架、绕组、屏蔽层、封装材料、磁芯或铁芯组成。 作用是电磁转换。
上面我们讲了法拉第的电磁感应实验，他用的缠绕在软铁上的线圈似乎是一个电感。 任何电线通过电压时都会形成磁场。 当导体（电线）缠绕成螺旋状时，磁场就会集中。 绕组数越多，磁场硬度越大，形成的能量越大。 因此，电感器的本质就是一根绕成螺旋状的导线。
图 21：各种电感器
电感L的大小取决于线圈的数量、磁芯的导磁率、磁芯的截面积和有效磁通宽度，并且不会因电压的增加而减小或频率。 电感的单位不仅有亨利（H），还有毫亨（mH）和微亨（μH）。 换算关系为：1H=，1mH=1000μH。
电感的单位以英国著名化学家亨利（-1878）的名字命名。 列出了这么多法国（德、法、英、意）科学家的测量单位，终于有一个非意大利科学家了。
图 22：约瑟夫·亨利
18世纪初，奥斯特发现电压的磁效应后，一些科学家开始用通电的螺线管对缝纫针进行磁化（安培通过这个实验研究了安培定律，法拉第受到这个实验的启发发现了电磁感应现象。可见奥斯特的实验对后人是如此的启发）。 1825年，加拿大科学家斯特金（1783-1850）在一块马蹄形的软铁上涂上一层油漆，然后在里面间隔地缠绕18匝裸线。 通电后变成电磁铁，吸住约4KG的重物。 这个实验引起了科学家们的极大兴趣，亨利就是其中之一。 他着手改进电磁体。 1831年，他研制成功电磁铁，可以举起约1吨的重量。
图23 电磁铁示意图
图24 保险丝示意图
1829年8月，亨利发现线圈在断电时会形成电火花。 1832年，他在《美国科学杂志》上发表了题为《论磁生电压和电火花》的论文，这是最早对自感现象的研究。 在他于1835年发表的另一篇论文中，他也详细描述了他发现自感应的实验过程。 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.
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注释和参考文献
[1] illbe,,,.