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1999年,第21屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)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(lái)國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一奠定了基礎(chǔ)。在國(guó)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(ài)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(guó)化學(xué)家門捷列夫(Дми?трий Ива?нович Менделе?ев 1834-1907)曾說(shuō)過(guò):“沒(méi)有測(cè)量,就沒(méi)有科學(xué)。”計(jì)量正是關(guān)于測(cè)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(dòng),也是支撐社會(huì)、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(cè)量單位,是用來(lái)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(zhǎng)度時(shí)我們用“米”等單位。而法定計(jì)量單位則是國(guó)家以法令的形式規(guī)定使用的計(jì)量單位。
我國(guó)是世界上最早統(tǒng)一度量衡的國(guó)家之一。秦始皇統(tǒng)一中國(guó)后便頒發(fā)了統(tǒng)一度量衡詔書(shū),對(duì)長(zhǎng)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(lái)各戰(zhàn)國(guó)之間的混亂、多樣的計(jì)量單位,方便了國(guó)家治理和民間生產(chǎn)生活往來(lái)。而同時(shí)期的古埃及、古羅馬等國(guó)家也都發(fā)明了各自的計(jì)量制度。彼時(shí),國(guó)家之間來(lái)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(wèn)題對(duì)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(huì)以來(lái),尤其近兩百年來(lái),計(jì)量單位的統(tǒng)一及精確度的需求大大提高。各國(guó)之間交往越來(lái)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(lái)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(zhǎng)度最初定義為通過(guò)巴黎的子午線上,從地球赤道到北極點(diǎn)的距離的千萬(wàn)分之一,后來(lái)以這個(gè)長(zhǎng)度制作了國(guó)際米原器——鉑桿。而時(shí)間的計(jì)量單位,最初從人們認(rèn)識(shí)“一天”開(kāi)始,基于地球公轉(zhuǎn)太陽(yáng)的周期來(lái)定義。雖然,這種以地球的大小和運(yùn)動(dòng)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(shí),但隨著天文學(xué)和地理學(xué)的發(fā)展,人們認(rèn)識(shí)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(cè)量的問(wèn)題。”他不但對(duì)計(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(shuō):“如果希望得到絕對(duì)恒久的標(biāo)準(zhǔn),我們不能以地球的大小或運(yùn)動(dòng)來(lái)尋找,而應(yīng)以波長(zhǎng)、振動(dòng)周期和這些永恒不變的絕對(duì)數(shù)值,來(lái)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(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)X頻率, c=λf ) 不但揭示了電磁波速度的恒定值與波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系,還揭示了空間(長(zhǎng)度)和時(shí)間(頻率)之間對(duì)應(yīng)與統(tǒng)一的聯(lián)系。
1999年,在第21屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)在法國(guó)巴黎召開(kāi),為了使各國(guó)政府和公眾了解計(jì)量,鼓勵(lì)和推動(dòng)各國(guó)計(jì)量領(lǐng)域的發(fā)展,加強(qiáng)各國(guó)在計(jì)量領(lǐng)域的國(guó)際交流與合作,大會(huì)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(guò)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(guó)際單位制
根據(jù)國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定,現(xiàn)在通行的國(guó)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(guò)這7個(gè)基本單位能夠?qū)С鏊衅渌奈锢砹繂挝唬瑯?gòu)成了國(guó)際單位制的基礎(chǔ)。同時(shí),為了方便使用,1993年國(guó)際計(jì)量大會(huì)又規(guī)定了19個(gè)具有專門名稱的SI導(dǎo)出單位。
表1:國(guó)際單位制中的7個(gè)基本單位
表2:部分國(guó)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(lái)命名國(guó)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(guó)際單位制計(jì)量單位,他們是:安培、庫(kù)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(cè)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(guò)這些名字來(lái)探究其背后的電磁學(xué)發(fā)展之路。
1
電流(I)的單位:安培(符號(hào)A)
安培是國(guó)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(zhǎng)度、時(shí)間、重量等)已經(jīng)不夠用了。如果仍然用原來(lái)的基本物理量推導(dǎo)出其他物理量,不僅繁瑣,而且會(huì)推導(dǎo)出荒謬的結(jié)論。因此,在1881年國(guó)際電學(xué)大會(huì)[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(guó)著名的物理學(xué)家、化學(xué)家。在家庭的影響下,安培自幼開(kāi)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(duì)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(duì)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(xiě)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(lái)安培不在家啊。”于是他扭頭又走了。
1820年7月,丹麥物理學(xué)家奧斯特通過(guò)一個(gè)無(wú)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(huì)使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了電磁學(xué)的大幕,人類開(kāi)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(shí)到這是個(gè)重大的發(fā)現(xiàn),他立刻開(kāi)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(zhǎng)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(jiǎn)化為F=K*(ΔL1I1)(ΔL2I2)/r2。奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流對(duì)磁體的作用,而安培發(fā)現(xiàn)了電流對(duì)電流的作用,這無(wú)疑是巨大的突破。
圖4:安培定律示意圖
國(guó)際單位制中安培的定義也先后發(fā)生過(guò)幾次改變。1908年在倫敦舉行的國(guó)際電學(xué)大會(huì)上,定義1秒時(shí)間間隔內(nèi)從硝酸銀溶液中能電解出1.118毫克銀的恒定電流為1安培。1948年,國(guó)際計(jì)量委員會(huì)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(wú)限長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)“修訂國(guó)際單位制”決議,將1安培定義為“1s內(nèi)(1/1.602176634)X1019個(gè)電荷(電荷的定義及計(jì)量見(jiàn)下文)移動(dòng)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(cè)量電流的電流計(jì)。此外,安培還提出了分子電流假說(shuō),他認(rèn)為,電和磁的本質(zhì)是電流。1827年他的《電動(dòng)力學(xué)理論》一書(shū)出版,該書(shū)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(huà)像
2
電量(Q)的單位:庫(kù)侖(符號(hào)C)
庫(kù)侖(Charlse-Augustin de Coulomb,1736-1806)是法國(guó)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(kù)侖定律而聞名于世。庫(kù)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。
圖6:庫(kù)侖扭稱實(shí)驗(yàn)示意圖
庫(kù)侖所用的裝置如下:一個(gè)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(cè)定扭轉(zhuǎn)角度的測(cè)微計(jì),在管內(nèi)懸一根銀絲并伸進(jìn)玻璃缸內(nèi)。懸絲下端系住一個(gè)小橫桿,小橫桿的一端為木質(zhì)小球A,另一端為平衡小球,使橫桿始終處在水平狀態(tài)。玻璃圓筒上刻有360個(gè)刻度,懸絲自由松開(kāi)時(shí),橫桿上小木球A指零。
其中k是靜電力常量,約為9X109N·m2/C2。這個(gè)常量并不是由庫(kù)侖計(jì)算得來(lái)的,而是由一百年后的麥克斯韋根據(jù)理論推導(dǎo)得出的。這和引力常數(shù)的得出過(guò)程有著驚人的相似!在牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律F=GMm/r2時(shí),牛頓本人并不知道引力常數(shù)G是多少,直到100多年后,才由英國(guó)的科學(xué)家卡文迪許(Henry Cavendish,1731-1810)通過(guò)類似的扭稱實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算出來(lái)。
圖7:卡文迪許測(cè)量萬(wàn)有引力示圖
而單個(gè)電荷量也不是由庫(kù)侖測(cè)得的,但這并不妨礙庫(kù)侖的偉大。要知道,由于科技水平和物質(zhì)條件的限制,在遙遠(yuǎn)的18世紀(jì),庫(kù)侖就能用這么巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置,放大并顯示了這么微小的力,已經(jīng)難能可貴了。
電量表示物體所帶電荷的多少。實(shí)際上1庫(kù)侖(C)的電量是比較大的,因?yàn)殡姾傻碾娏糠浅P。粋€(gè)電子的電量?jī)H為1.60X10-19 C,1C 就相當(dāng)于6.25X1018個(gè)電子帶電量。它和我們前面講過(guò)的電流之間的關(guān)系是,電量等于電流強(qiáng)度(單位A)與時(shí)間(單位s)的乘積,公式表達(dá)為Q=I t。因此1C就表示1A電流在1s內(nèi)輸運(yùn)的電量。1881年的國(guó)際電學(xué)大會(huì)上,電量的單位被定義為庫(kù)侖。
自然界中基本相互作用已知有四種:萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。強(qiáng)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(guò)原子核線度。在微觀世界中,萬(wàn)有引力與強(qiáng)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(zhì)子之間的庫(kù)侖力(電磁力的一種)約是萬(wàn)有引力的1039倍,而強(qiáng)相互作用力比電磁力還要大。因此,在微觀領(lǐng)域,起作用的是強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力。理論認(rèn)為,強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統(tǒng)一成一種相互作用。而萬(wàn)有引力定律和庫(kù)侖定律在形式上的相似性,是否意味著這兩種作用的某種內(nèi)在的質(zhì)的統(tǒng)一性?這還是一個(gè)謎,有待人們?nèi)ソ沂尽?/p>
圖8:四種相互作用示意圖
3
電壓(U)的單位:伏特(符號(hào)V)
圖9:伏特電堆原理圖
圖10:伏特親手制作的伏特電堆
實(shí)驗(yàn)中,他把金屬銀條和金屬鋅條浸入強(qiáng)酸溶液中時(shí),發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)金屬條之間竟然產(chǎn)生了穩(wěn)定而又強(qiáng)勁的電流。于是,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(lái)。伏特用這種化學(xué)方法成功地制成了世界上第一個(gè)伏特電推。伏特電堆實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組,也是我們現(xiàn)在所用電池的原型。伏特電池的發(fā)明,使得科學(xué)家可以用比較大的持續(xù)電流來(lái)進(jìn)行各種電學(xué)研究。伏特電池是一個(gè)重要的起步,它帶動(dòng)了后續(xù)電氣相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展。
1807年,法國(guó)軍團(tuán)征服了意大利,法蘭西第一帝國(guó)皇帝拿破侖特意在巴黎接見(jiàn)了伏特。為了表彰他對(duì)科學(xué)所作出的貢獻(xiàn),1810年拿破侖封他為伯爵,并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(jì)念他,1881年國(guó)際電學(xué)大會(huì)將電動(dòng)勢(shì)(電壓)單位取名伏特(V)。
圖11:伏特畫(huà)像
圖12:伏特為拿破侖演示伏特電堆
電壓是推動(dòng)電荷定向移動(dòng)形成電流的原因。電流之所以能夠在導(dǎo)線中流動(dòng),是因?yàn)樵陔娏髦杏兄唠妱?shì)和低電勢(shì)之間的差別。這種差別就叫電勢(shì)差,也叫電壓。換句話說(shuō),在電路中,任意兩點(diǎn)之間的電位差稱為這兩點(diǎn)的電壓。
在國(guó)際單位制中,1伏特定義為對(duì)每1庫(kù)侖的電荷做了1焦耳的功。具體實(shí)踐來(lái)講,我們?cè)谌粘I钪袝?huì)經(jīng)常接觸電壓和伏特(簡(jiǎn)稱伏)這個(gè)兩個(gè)名詞,可以說(shuō)所有電器都離不開(kāi)電壓這個(gè)基本的單位量。如7號(hào)電池上會(huì)注明1.5V,表示可以提供1.5V的電壓輸出;國(guó)內(nèi)的手機(jī)、筆記本的充電器上一般都會(huì)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。
圖13:從左往右依次:7號(hào)電池、筆記本充電器、手機(jī)充電器、汽車電瓶
4
電阻(R)的單位:歐姆(符號(hào)Ω)
歐姆(Georg Simon Ohm,1787-1854),德國(guó)的物理學(xué)家,因發(fā)現(xiàn)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于電壓。歐姆定律以清晰的概念、簡(jiǎn)明的形式,把握了電路現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律;它不僅是直流路計(jì)算的基礎(chǔ),也是交流電路及電路微觀過(guò)程定量關(guān)系的客觀反映。我們?cè)诔踔袝r(shí)便都學(xué)會(huì)了這個(gè)簡(jiǎn)單的基本公式,可在當(dāng)年人們連電壓、電阻這些概念還不是十分清楚的時(shí)候,歐姆能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得出這個(gè)定律,是相當(dāng)?shù)膮柡Γ?/p>
歐姆在1813年博士畢業(yè)后一直在中學(xué)當(dāng)老師,由于他一直喜歡研究電學(xué)和動(dòng)手制作實(shí)驗(yàn)裝置,因此他一邊教學(xué)一邊鉆研剛剛興起的電學(xué)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有人開(kāi)始研究金屬電導(dǎo)率,人們發(fā)現(xiàn)不同金屬、不同長(zhǎng)度、不同橫截面的金屬導(dǎo)體在電路中對(duì)電流不同的影響。于是在前人的基礎(chǔ)上,歐姆利用庫(kù)侖在1785年發(fā)明扭稱實(shí)驗(yàn),伏特1800年發(fā)明電池,安培1820年引入電流強(qiáng)度的概念等等,制作了巧妙的測(cè)量裝置,并經(jīng)過(guò)了大量的了實(shí)驗(yàn)、推理、計(jì)算,最終于1826年確定了歐姆定律。1881年國(guó)際電學(xué)大會(huì)將電阻的單位定為歐姆(Ω)。
圖14:歐姆
圖15:歐姆1826年論文中的實(shí)驗(yàn)裝置圖
我們現(xiàn)在知道,導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用就叫該導(dǎo)體的電阻。它在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大,表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。電阻也是導(dǎo)體本身的一種特性,與它是否在電路中無(wú)關(guān)。它的大小與導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面和溫度都有關(guān)系,其公式為R=ρL/S,其中ρ為導(dǎo)體的電阻率,電阻率與導(dǎo)體的材料和溫度有關(guān)。隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)在很低的溫度時(shí),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(dǎo)現(xiàn)象。如果把超導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用于實(shí)際,制成超導(dǎo)材料,將給人類帶來(lái)很大的好處。比如在電廠發(fā)電、運(yùn)輸電力、儲(chǔ)存電力等方面采用超導(dǎo)材料,可以大大降低由于電阻引起的電能消耗。再比如,用超導(dǎo)材料制造電子元件,由于沒(méi)有電阻,不必考慮散熱的問(wèn)題,元件尺寸可以大大的縮小,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的微型化。超導(dǎo)材料研究是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿,必將在未來(lái)大放異彩。
圖16:西南交通大學(xué)搭建的超導(dǎo)磁懸浮列車實(shí)驗(yàn)線平臺(tái)
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電容(C)的單位:法拉(符號(hào)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(shù)值越大,表示它能裝下的電荷越多;數(shù)值越小,能裝下的電荷就越少。
圖17:電容結(jié)構(gòu)示意圖
電容器的組成也比較簡(jiǎn)單,兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體極板,中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì),就構(gòu)成了電容器。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板之間加上電壓時(shí),電容器就會(huì)儲(chǔ)存電荷。電容器的電容在數(shù)值上等于一個(gè)導(dǎo)電極板上的電荷量(Q)與兩個(gè)極板之間的電壓(U)之比,用公式表達(dá)為C=Q/U。如果一個(gè)電容器帶1庫(kù)侖電量時(shí),兩極板間電壓是1伏特,這個(gè)電容器的電容就是1法拉。
前面我們講電量時(shí)提過(guò),1庫(kù)侖是相當(dāng)大的電量,由此,1法拉也是相當(dāng)大的電容。我們實(shí)際的電子電路中很少用到法拉(F)這個(gè)單位,用到更多的是微法(μF)、皮法(pF)。他們之間的換算關(guān)系是:
1法拉(F) = 1X106微法(μF)
1微法(μF)= 1X106皮法(pF)
既然法拉單位這么大,為什么我們法拉定義成電容的單位呢?這要從電磁學(xué)的一位大神級(jí)人物——法拉第說(shuō)起。
法拉第(Michael Faraday,1791-1867),英國(guó)杰出的物理學(xué)家、化學(xué)家。法拉第出生于一個(gè)鄉(xiāng)村鐵匠的家庭,小時(shí)候由于家里貧窮只上了兩年的小學(xué)。輟學(xué)后,他開(kāi)始當(dāng)報(bào)童賣報(bào),當(dāng)學(xué)徒給老板干活。小法拉第特別喜歡讀書(shū),尤其是科學(xué)方面的書(shū)籍,他找到一本讀一本并認(rèn)真思考做筆記,同時(shí)他還喜歡聽(tīng)各種學(xué)術(shù)講座。在他22歲時(shí),當(dāng)時(shí)英國(guó)鼎鼎有名的化學(xué)家戴維(Humphry Davy,1778—1829)獨(dú)具慧眼,招收了這個(gè)勤奮好學(xué)的小學(xué)徒做他的助手。從此,法拉第踏上了探索科學(xué)的道路。
1820年,丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特(1777-1851)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng),這一發(fā)現(xiàn)引起了很多科學(xué)家的注意。
法拉第在對(duì)奧斯特實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)研究后,一直在思考,既然電能產(chǎn)生磁,那么磁也應(yīng)該能夠產(chǎn)生電,但是如何才能夠?qū)崿F(xiàn)呢?終于在1831年8月,法拉第做了一個(gè)裝置,如下圖所示。
在此之后,他根據(jù)電磁感應(yīng)原理親手制作了世界上第一臺(tái)“發(fā)電機(jī)”,這一原型使電能大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送成為了可能。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一,它揭示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系,并對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立也具有重大意義!
圖18:法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)示意圖
圖19:法拉第圓盤發(fā)電機(jī)
除此之外,1837年,法拉第引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念,指出電和磁的周圍都有場(chǎng)的存在,這打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1881年國(guó)際電學(xué)大會(huì)用“法拉”做電容的單位,就是為了緬懷這個(gè)名叫法拉弟的牛人!
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電感(L)的單位:亨利(H)
電感表示閉合回路的一種屬性。當(dāng)電流通過(guò)線圈后,在線圈中會(huì)形成磁場(chǎng)感應(yīng),這個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來(lái)抵制通過(guò)線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電感,以符號(hào)L表示,單位是亨利(H),簡(jiǎn)稱亨。電感是自感和互感的總稱。
圖20:電感示意圖
電感器一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁芯或鐵芯等組成,它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)起來(lái),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候又能釋放出去再轉(zhuǎn)化成電能,它的核心作用就是電磁轉(zhuǎn)換。
在前面我們講法拉第進(jìn)行電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn),他所用纏在軟鐵上的線圈其實(shí)就是電感。任何導(dǎo)線在通過(guò)電流的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),把導(dǎo)體(導(dǎo)線)繞成螺旋狀,磁場(chǎng)就會(huì)被聚集,繞的圈數(shù)越多磁場(chǎng)強(qiáng)度也就越大,產(chǎn)生的能量也就越大,所以電感器的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是一個(gè)被繞成螺旋狀的導(dǎo)線。
圖21:各式各樣的電感
電感L的大小取決于繞線圈數(shù),磁芯的磁導(dǎo)率,磁芯的截面積和有效磁路長(zhǎng)度,它不會(huì)因?yàn)殡娏骰蛘哳l率的增高而增大。電感單位除了亨利(H)之外,還有毫亨(mH)、微亨(μH),換算關(guān)系為:1H=1000mH,1mH=1000μH。
電感的單位是為了紀(jì)念美國(guó)著名的物理學(xué)家亨利(Joseph Henry 1797-1878),而以他的名字命名的。在列舉了這么多歐洲(德、法、英、意)的科學(xué)家計(jì)量單位名字后,終于有一位非歐洲的科學(xué)家了。
圖22:約瑟夫亨利
18世紀(jì)初在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后,一些科學(xué)家開(kāi)始用通電螺線管使鋼針磁化(安培通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究出了安培定則,法拉第受這個(gè)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng),可見(jiàn)奧斯特的這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)后人有多么的啟發(fā)意義)。1825年,英國(guó)科學(xué)家斯特金(William Sturgeon,1783-1850)在一塊馬蹄形軟鐵上涂上了一層清漆,然后在上面間隔繞 18圈裸導(dǎo)線,通電后就成了電磁鐵,吸起了約4KG的重物。這一實(shí)驗(yàn)引起科學(xué)家的極大興趣,亨利正是其中之一。他開(kāi)始著手改進(jìn)電磁鐵。1831年他成功研制出一個(gè)能吸起約1噸重物的電磁鐵。
圖23 電磁鐵示意圖
圖24 繼電器示意圖
1829年8月,亨利發(fā)現(xiàn)線圈在斷開(kāi)電源時(shí)產(chǎn)生了電火花。1832年,他在《美國(guó)科學(xué)學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為《關(guān)于磁生電流與電火花》的論文,這是關(guān)于自感現(xiàn)象最早的研究。他在1835年發(fā)表的另一篇論文中還詳細(xì)介紹了自己關(guān)于發(fā)現(xiàn)自感實(shí)驗(yàn)過(guò)程。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有適當(dāng)?shù)膬x器,他甚至用人體受自感電動(dòng)勢(shì)的電擊——他稱之為“直接受震法”,以驗(yàn)證自感電動(dòng)勢(shì)的存在以及感覺(jué)它的強(qiáng)弱。
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電導(dǎo)(G)的單位:西門子(符號(hào)S)
電導(dǎo)代表某一種導(dǎo)體傳輸電流能力的強(qiáng)弱程度。電導(dǎo)值越大,導(dǎo)體傳輸電流的能力就越強(qiáng)。電導(dǎo)越小,導(dǎo)體傳輸電流的能力就越弱。看到這一物理量,我們馬上就會(huì)想起另外一個(gè)物理量——電阻(R)。電阻表示的是導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。所以我們不難看出,電導(dǎo)和電阻是描述導(dǎo)體傳輸電流能力的兩個(gè)不同角度。在純電阻線路中,電導(dǎo)和電阻互為倒數(shù),其換算公式為G=1/R。
為什么有了電阻后還要有電導(dǎo)這個(gè)參數(shù)呢?因?yàn)樵谀承﹫?chǎng)景下,用電導(dǎo)更容易理解和使用。比如,在并聯(lián)電路中求總電阻,我們需要將各電阻倒數(shù)相加再求倒數(shù),而用電導(dǎo),我們只需要將各電導(dǎo)直接相加就可以得到總電導(dǎo)。再比如我們?cè)跍y(cè)量一些電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力時(shí),常用到的參數(shù)就是電導(dǎo)率,通過(guò)測(cè)定電導(dǎo)率我們就可以知道這些液體的導(dǎo)電能力如何,離子濃度甚至含鹽量大小。這樣更方便我們理解,也更好描述液體在導(dǎo)體方面的特性。
圖25:并聯(lián)電阻計(jì)算公式
圖26:電導(dǎo)儀
圖27: 維爾納·馮西門子
注釋及參考文獻(xiàn)
[1] If then we wish to obtain standards which will be absolutely permanent, we must seek them not in the dimensions or the motion of our planet, but in the wavelength, the period of vibration and the absolute mass of these imperishable and unalterable of these imperishable and unalterable and perfectly similar molecules.
來(lái)源:返樸
編輯:Quanta shuang
來(lái)源:新華號(hào) 中科院物理所
原創(chuàng)文章,作者:賴頌強(qiáng)講孩子沉迷網(wǎng)絡(luò)游戲怎么辦,如若轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明出處:http://m.69xo69.com/152247.html