七個電學計量單位是怎麼來的？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-05-22 15:15
1999年，第21屆國際計量大會把5月20日設立為“世界計量日”，以紀念1875年“米制公約”簽署，這項協議為後來國際計量標準的統一奠定了基礎。在國際單位制中，為了紀念那些偉大的科學家做出的貢獻，許多單位用了他們的名字作為單位名稱，其中與電磁學直接相關就有10位。今天，在這個特別有愛的日子裏——讓我們看看與生活息息相關的電磁學單位，以及它們背後科學家的故事。
撰文 | 流熵、劉景峯
因發明元素週期表而聞名世界的俄國化學家門捷列夫（Дми́трий Ива́нович Менделе́ев 1834-1907）曾説過：“沒有測量，就沒有科學。”計量正是關於測量的科學，是實現單位統一和量值準確可靠的活動，也是支撐社會、經濟和科技發展的重要基礎。
麥克斯韋的思想使計量單位進入新時代
計量單位又稱測量單位，是用來度量、比較同類量大小的一個標準量或參考。比如，比較質量時我們用“千克”，比較長度時我們用“米”等單位。而法定計量單位則是國家以法令的形式規定使用的計量單位。
我國是世界上最早統一度量衡的國家之一。秦始皇統一中國後便頒發了統一度量衡詔書，對長度、容積、質量做出了精準定義，制定了一套嚴格的管理制度，結束了原來各戰國之間的混亂、多樣的計量單位，方便了國家治理和民間生產生活往來。而同時期的古埃及、古羅馬等國家也都發明瞭各自的計量制度。彼時，國家之間來往尚不密切，科學技術發展還在初始階段，計量單位不統一、不精確的問題對當時世界的發展造成的困擾尚不明顯。
然而，進入近代社會以來，尤其近兩百年來，計量單位的統一及精確度的需求大大提高。各國之間交往越來越頻繁，各領域科學技術大爆發大發展，工業化程度越來越高，這些都需要統一及精確的計量單位作為支撐。
為了適應工業生產科學技術和國際貿易的發展，保證世界範圍內計量的統一，法、俄、德等17個國家在1875年5月20日簽署了一項以“米制”為基礎的國際公約。成立米制公約國際組織後，各國的計量單位制取得巨大突破，後來越來越多的國家加入米制公約，世界範圍內計量單位逐漸走向統一。這一時期，電磁學剛剛完成了電學、磁學和光學的統一，與計量體系不斷完善之路同行，以奔湧之勢把近代科學乃至人類文明帶入了前進的快車道。
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的距離的千萬分之一，後來以這個長度製作了國際米原器——鉑杆。而時間的計量單位，最初從人們認識“一天”開始，基於地球公轉太陽的週期來定義。雖然，這種以地球的大小和運動作為計量基礎的方法贏得了當時世界範圍的共識，但隨着天文學和地理學的發展，人們認識到這個基礎並不是永久而牢固的。
偉大的理論物理學家和思想家，電磁學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：“從數學的觀點看，任何一種現象的最重要方面就是可測量的問題。”他不但對計量的科學價值高度重視，還提出了提高計量精度的革命性思想，改變了計量的發展方向和歷史進程。他説：“如果希望得到絕對恆久的標準，我們不能以地球的大小或運動來尋找，而應以波長、振動週期和這些永恆不變的絕對數值，來尋找這些永恆不變且完全相似的計量單元。”[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間的理想，雖未能在他所生活的時代實現，但他這一科學預言極具震撼力和前瞻性。電磁波的基本公式（傳播速度=波長×頻率， c=λf ） 不但揭示了電磁波速度的恆定值與波長和頻率的關係，還揭示了空間（長度）和時間（頻率）之間對應與統一的聯繫。
1967年召開的第13屆國際計量大會[2]對秒的定義改為：銫133原子基態的兩個超精細能階之間躍遷時所對應輻射電磁波的9,192,631,770個週期所持續的時間。這個定義提到的銫原子必須在絕對零度時是靜止的，而且所在的環境是零磁場。這就是我們通常所説的國際原子時，原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒，直到現在 “秒”的定義仍由銫原子噴泉鍾保持。
20世紀70年代，由於激光技術的發展，光速的測定已非常精確。1983年國際計量大會重新制定米的定義：“光在真空中行進1/299,792,458秒的距離”為1標準米。麥克斯韋的思想突破了技術條件的限制，他的計量預言在身後一百多年得以完美實現。從這個角度可以説，麥克斯韋及其電磁學思想，把科學與計量從牛頓力學時代引向了量子時代。
1999年，在第21屆國際計量大會在法國巴黎召開，為了使各國政府和公眾瞭解計量，鼓勵和推動各國計量領域的發展，加強各國在計量領域的國際交流與合作，大會確定每年5月20日為世界計量日。今天恰逢世界計量日，本文通過梳理電磁學中的計量單位，和大家一起回顧電磁學的發展歷程，向偉大的科學家們致敬。我們共梳理出10個電磁學計量單位，其中前7個為電學基礎單位，後3個單位則用在磁學和頻率的計量中，分為前後兩篇文章進行介紹。
十大電磁學國際單位制
根據國際計量大會規定，現在通行的國際單位制（SI）[3]有7個基本單位，它們好比七塊彼此獨立又相互支撐的“基石”，通過這7個基本單位能夠導出所有其他的物理量單位，構成了國際單位制的基礎。同時，為了方便使用，1993年，國際計量大會又規定了19個具有專門名稱的SI導出單位，其數量也在不斷更新。
在科學史上，為了紀念那些做出重大貢獻的科學家，以他們的名字來命名國際計量單位已成為一種慣例，也是至高榮譽。在電磁學領域，有10位科學家的名字作為了國際單位制計量單位，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，奠定了電磁學乃至現代科學的巨廈之基，他們的成就如同璀璨明珠幾乎串聯起了整部電磁學史。今天讓我們透過這些名字來探究其背後的電磁學發展之路。
1 電流（I）的單位：安培（符號A）
安培是國際單位制中7個基本單位之一。當初引進安培這個單位就是因為隨着電磁學的發展，原有的基本單位（長度、時間、重量等）已經不夠用了。如果仍然用原來的基本物理量推導出其他物理量，不僅繁瑣，而且會推導出荒謬的結論。因此，在1881年國際電學大會[4]上正式決定增加個基本量：電流強度（I），並把它的單位命名為安培（A）。
安培（André-Marie Ampère，1775 — 1836），是法國著名的物理學家、化學家。在家庭的影響下，安培自幼開始自學數學、拉丁文、歷史、哲學等，尤其在數學方面更是有着異人的天賦。安培對自然科學有着近乎痴迷的學習熱情，從那個有名的小故事中我們就能看出他對自然科學痴迷程度。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，頭腦中還思考着自己研究的東西，結果自己走到門口時，嘆了一聲，“哎，原來安培不在家啊。”於是他扭頭又走了。
1820年7月，丹麥物理學家奧斯特通過一個無意的實驗，即奧斯特實驗，發現了通電導線的瞬間會使磁針發生偏轉。正是這個實驗揭開了電磁學的大幕，人類開始深入瞭解並研究電與磁之間的關係。
當時45歲，已經是法蘭西科學院院士的安培馬上意識到這是個重大的發現，他立刻開始重複奧斯特的實驗，並進一步深入拓展，總結出了“安培定則”。安培定則1：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流方向，那麼彎曲四指的指向就是磁感線的環繞方向。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的內容之一。
國際單位制中安培的定義也先後發生過幾次改變。1908年在倫敦舉行的國際電學大會上，定義1秒時間間隔內從硝酸銀溶液中能電解出1.118毫克銀的恆定電流為1安培。1948年，國際計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線內，通以等量恆定電流，導線間相互作用力在1米長度上為2×10^（-7）牛時，則每根導線中的電流為1安培。2018年11月16日，第26屆國際計量大會通過“修訂國際單位制”決議，將1安培定義為“1s內（1/1.602176634）×10^19個電荷（電荷的定義及計量見下文）移動所產生的電流強度”。此定義於2019年5月20日世界計量日起正式生效。
1820年，安培首先引入了電流、電流強度等名詞，還製造了第一個可測量電流的電流計。此外，安培還提出了分子電流假説，他認為，電和磁的本質是電流。1827年他的《電動力學理論》一書出版，該書被認為是19世紀20年代電磁理論的最高成就。
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家，早期研究靜電力學的科學家之一。他因發現靜電學中的庫侖定律而聞名於世。庫侖定律指兩個電荷間的力與兩個電荷量的乘積成正比，與兩者的距離平方成反比。該定律也是電學發展史上的第一個定量規律，它使電學的研究從定性進入定量階段，是電學史中的一塊重要的里程碑。
18世界初，雖然人們對靜電已經有了一定的認識，如英國人格雷（Stephen Gray 1666-1736）在1720年研究了靜電的傳導現象，發現了導體和絕緣體的區別；美國的富蘭克林（Benjamin Franklin，1706-1790）提出了正、負電荷的概念和電荷守恆原理，但都基本都只限於定性認識，很難開展定量研究。這是由於靜電力非常小，在當時沒有測量如此微小力的工具。庫侖就是這時候天才般的發明了扭稱實驗，通過這個實驗得出了庫侖定律。
庫侖所用的裝置如下：一個玻璃圓缸，在上面蓋一塊中間有小孔的玻璃板。小孔中裝一根玻璃管，在玻璃管的上端裝有測定扭轉角度的測微計，在管內懸一根銀絲並伸進玻璃缸內。懸絲下端繫住一個小橫杆，小橫杆的一端為木質小球A，另一端為平衡小球，使橫杆始終處在水平狀態。玻璃圓筒上刻有360個刻度，懸絲自由鬆開時，橫杆上小木球A指零。
庫倫使固定在底盤上的小球C帶電，再讓兩個小球A、C接觸後分開，以致兩個小球均帶同種等量電荷，兩者互相排斥。帶電的木質小球A受到的庫侖斥力產生力矩使橫杆旋轉，懸絲也扭轉形變產生扭轉力矩。因為懸線很細，作用在球上很小的力就能使棒顯著地偏離其原來位置。當懸絲的扭轉力矩和庫侖力力矩相平衡時，橫杆處於靜止狀態。
庫侖改變底盤上帶電球C和橫杆上帶電小球A之間的距離，作了三次記錄。第一次，兩球相距36個刻度，測得銀絲的旋轉角度為36度。第二次，兩球相距18個刻度，測得銀絲的旋轉角度為144度。第三次，兩球相距8.5個刻度，測得銀絲旋轉的575.5度。上述實驗表明，兩個電荷之間的距離為4:2:1時，扭轉角為 1:4:15.98。庫侖認為第三次的偏是由漏電所致。經過誤差修正和反覆的測量，並對實驗結果進行分析，庫侖終於得到了兩電荷間的斥力即庫侖力的大小與距離的平方成反比。
而單個電荷量也不是由庫侖測得的，但這並不妨礙庫侖的偉大。要知道，由於科技水平和物質條件的限制，在遙遠的18世紀，庫侖就能用這麼巧妙的實驗裝置，放大並顯示了這麼微小的力，已經難能可貴了。
電量表示物體所帶電荷的多少。實際上1庫侖（C）的電量是比較大的，因為電荷的電量非常小，一個電子的電量僅為1.60×10^（-19） C，1C 就相當於6.25×10^18個電子帶電量。它和我們前面講過的電流之間的關係是，電量等於電流強度（單位A）與時間（單位s）的乘積，公式表達為Q=I t。因此1C就表示1A電流在1s內輸運的電量。1881年的國際電學大會上，電容量的單位被定義為庫侖。
自然界中基本相互作用已知有四種：萬有引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。強相互作用力、弱相互作用力是一種短程力，其作用距離不超過原子核線度。在微觀世界中，萬有引力與強相互作用力、弱相互作用力、電磁力相比是可以忽略不記的，比如電子與質子之間的庫侖力（電磁力的一種）約是萬有引力的10^39倍，而強相互作用力比電磁力還要大。因此，在微觀領域，起作用的是強相互作用力、弱相互作用力、電磁力。理論認為，強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統一成一種相互作用。而萬有引力定律和庫侖定律在形式上的相似性，是否意味着這兩種作用的某種內在的質的統一性？這還是一個謎，有待人們去揭示。
3 電壓（U）的單位：伏特（符號V）
伏特（Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745年－1827年），是意大利的一名物理學家。在伏特之前，人們只能應用摩擦發電機，再將電存放在萊頓瓶中儲存，以供使用。這種方式相當麻煩，所得的電量也受限制。1800年，已經55歲的伏特發明了伏特電堆，其實就是電池，不過在早期是被稱為“電堆”，這可能跟它的形狀有關（如下圖所示）。伏特的這項發明使得電的取得變得非常方便。
實驗中，他把金屬銀條和金屬鋅條浸入強酸溶液中時，發現在兩個金屬條之間竟然產生了穩定而又強勁的電流。於是，他把浸透鹽水的絨布或紙片墊在鋅片與銀片之間，平疊起來。伏特用這種化學方法成功地製成了世界上第一個伏特電推。伏特電堆實際上就是串聯的電池組，也是我們現在所用電池的原型。伏特電池的發明，使得科學家可以用比較大的持續電流來進行各種電學研究。伏特電池是一個重要的起步，它帶動了後續電氣相關研究的蓬勃發展。
1807年，法國軍團征服了意大利，法蘭西第一帝國皇帝拿破崙特意在巴黎接見了伏特。為了表彰他對科學所作出的貢獻，1810年拿破崙封他為伯爵，並給予了伏特一大筆錢。1827年3月5日，伏特去世，終年八十二歲。為了紀念他，1881年國際電學大會將電動勢(電壓)單位取名伏特（V）。
電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因。電流之所以能夠在導線中流動，是因為在電流中有着高電勢和低電勢之間的差別。這種差別就叫電勢差，也叫電壓。換句話説，在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。
在國際單位制中，1伏特定義為對每1庫侖的電荷做了1焦耳的功。具體實踐來講，我們在日常生活中會經常接觸電壓和伏特（簡稱伏）這個兩個名詞，可以説所有電器都離不開電壓這個基本的單位量。如7號電池上會註明1.5V，表示可以提供1.5V的電壓輸出；國內的手機、筆記本的充電器上一般都會有“輸入AC100-240V”字樣，它表示充電器需要插在100-240V的交流電源上；我們轎車上的電瓶電壓一般是12V左右。
4 電阻（R）的單位：歐姆（符號Ω）
歐姆（Georg Simon Ohm，1787-1854），德國的物理學家，因發現歐姆定律而被世人所知。歐姆定律的公式是R=U/I，或U=IR。它表示在一段電路中，電流與電阻的乘積等於電壓。歐姆定律以清晰的概念、簡明的形式，把握了電路現象的本質和規律；它不僅是直流路計算的基礎，也是交流電路及電路微觀過程定量關係的客觀反映。我們在初中時便都學會了這個簡單的基本公式，可在當年人們連電壓、電阻這些概念還不是十分清楚的時候，歐姆能夠通過實驗的方法得出這個定律，是相當的厲害！
歐姆在1813年博士畢業後一直在中學當老師，由於他一直喜歡研究電學和動手製作實驗裝置，因此他一邊教學一邊鑽研剛剛興起的電學。當時已經有人開始研究金屬電導率，人們發現不同金屬、不同長度、不同橫截面的金屬導體在電路中對電流不同的影響。於是在前人的基礎上，歐姆利用庫侖在1785年發明扭稱實驗，伏特1800年發明電池，安培1820年引入電流強度的概念等等，製作了巧妙的測量裝置，並經過了大量的了實驗、推理、計算，最終於1826年確定了歐姆定律。1881年國際電學大會將電阻的單位定為歐姆（Ω）。
我們現在知道，導體對電流的阻礙作用就叫該導體的電阻。它在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。電阻也是導體本身的一種特性，與它是否在電路中無關。它的大小與導體的材料、長度、橫截面和温度都有關係，其公式為R=ρL/S，其中ρ為導體的電阻率，電阻率與導體的材料和温度有關。隨着科學的發展，科學家發現某些物質在很低的温度時，如鋁在-271.76℃以下，鉛在-265.95℃以下，其電阻竟然變成了零，這就是超導現象。如果把超導現象應用於實際，製成超導材料，將給人類帶來很大的好處。比如在電廠發電、運輸電力、儲存電力等方面採用超導材料，可以大大降低由於電阻引起的電能消耗。再比如，用超導材料製造電子元件，由於沒有電阻，不必考慮散熱的問題，元件尺寸可以大大的縮小，進一步實現電子設備的微型化。超導材料研究是當今材料科學領域的前沿，必將在未來大放異彩。
5 電容（C）的單位：法拉（符號F）
電容是指容納電荷的能力，也叫電容量，它是一種容納電荷的器件，單位用法拉（F）表示。它的數值越大，表示它能裝下的電荷越多；數值越小，能裝下的電荷就越少。
電容器的組成也比較簡單，兩個相互靠近的導體極板，中間夾一層不導電的絕緣介質，就構成了電容器。當電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。電容器的電容在數值上等於一個導電極板上的電荷量（Q）與兩個極板之間的電壓（U）之比，用公式表達為C=Q/U。如果一個電容器帶1庫侖電量時，兩極板間電壓是1伏特，這個電容器的電容就是1法拉。
前面我們講電量時提過，1庫侖是相當大的電量，由此，1法拉也是相當大的電容。我們實際的電子電路中很少用到法拉（F）這個單位，用到更多的是微法（μF）、皮法（pF）。他們之間的換算關係是：
1法拉(F) = 1×10^6微法(μF)
1微法(μF)= 1×10^6皮法(pF)
既然法拉單位這麼大，為什麼我們法拉定義成電容的單位呢？這要從電磁學的一位大神級人物——法拉第説起。
法拉第（Michael Faraday，1791-1867），英國傑出的物理學家、化學家。法拉第出生於一個鄉村鐵匠的家庭，小時候由於家裏貧窮只上了兩年的小學。輟學後，他開始當報童賣報，當學徒給老闆幹活。小法拉第特別喜歡讀書，尤其是科學方面的書籍，他找到一本讀一本並認真思考做筆記，同時他還喜歡聽各種學術講座。在他22歲時，當時英國鼎鼎有名的化學家戴維（Humphry Davy，1778—1829）獨具慧眼，招收了這個勤奮好學的小學徒做他的助手。從此，法拉第踏上了探索科學的道路。
1820年，丹麥物理學家奧斯特（Hans Christian Ørsted，1777－1851）發現了電流的磁效應，這一發現引起了很多科學家的注意。
法拉第在對奧斯特實驗進行詳細研究後，一直在思考，既然電能產生磁，那麼磁也應該能夠產生電，但是如何才能夠實現呢？終於在1831年8月，法拉第做了一個裝置，如下圖所示。
他在軟鐵環兩側分別繞兩個線圈，其一為閉合迴路，在導線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，並接開關，形成有電源的閉合迴路。實驗發現，合上開關，磁針偏轉；切斷開關，磁針反向偏轉，這表明在沒有電池的線圈中出現了感應電流！法拉第發現了電磁感應現象！
在此之後，他根據電磁感應原理親手製作了世界上第一台“發電機”，這一原型使電能大規模生產和遠距離輸送成為了可能。電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它揭示了電、磁現象之間的相互聯繫，並對麥克斯韋電磁場理論的建立也具有重大意義！
