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。

為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)和國際貿(mào)易的發(fā)展，保證世界范圍內(nèi)計(jì)量的統(tǒng)一，法、俄、德等17個國家在1875年5月20日簽署了一項(xiàng)以“米制”為基礎(chǔ)的國際公約。成立米制公約國際組織后，各國的計(jì)量單位制取得巨大突破，后來越來越多的國家加入米制公約，世界范圍內(nèi)計(jì)量單位逐漸走向統(tǒng)一。這一時(shí)期，電磁學(xué)剛剛完成了電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)的統(tǒng)一，與計(jì)量體系不斷完善之路同行，以奔涌之勢把近代科學(xué)乃至人類文明帶入了前進(jìn)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(diǎn)的距離的千萬分之一，后來以這個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。”他不但對計(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：“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?！盵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×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。

1967年召開的第13屆國際計(jì)量大會[2]對秒的定義改為：銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能階之間躍遷時(shí)所對應(yīng)輻射電磁波的9,192,631,770個周期所持續(xù)的時(shí)間。這個定義提到的銫原子必須在絕對零度時(shí)是靜止的，而且所在的環(huán)境是零磁場。這就是我們通常所說的國際原子時(shí)，原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬年才誤差1秒，直到現(xiàn)在 “秒”的定義仍由銫原子噴泉鐘保持。

20世紀(jì)70年代，由于激光技術(shù)的發(fā)展，光速的測定已非常精確。1983年國際計(jì)量大會重新制定米的定義：“光在真空中行進(jìn)1/299,792,458秒的距離”為1標(biāo)準(zhǔn)米。麥克斯韋的思想突破了技術(shù)條件的限制，他的計(jì)量預(yù)言在身后一百多年得以完美實(shí)現(xiàn)。從這個角度可以說，麥克斯韋及其電磁學(xué)思想，把科學(xué)與計(jì)量從牛頓力學(xué)時(shí)代引向了量子時(shí)代。

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個電磁學(xué)計(jì)量單位，其中前7個為電學(xué)基礎(chǔ)單位，后3個單位則用在磁學(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個基本單位能夠?qū)С鏊衅渌奈锢砹繂挝唬瑯?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個具有專門名稱的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個基本單位之一。當(dāng)初引進(jìn)安培這個單位就是因?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定增加個基本量：電流強(qiáng)度（I），并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(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。

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。

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。

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1.118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2×10-7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)（1/1.602176634）×1019個電荷（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。

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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(xué)發(fā)展史上的第一個定量規(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。

18世界初，雖然人們對靜電已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，如英國人格雷（Stephen Gray 1666-1736）在1720年研究了靜電的傳導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別；美國的富蘭克林（Benjamin Franklin，1706-1790）提出了正、負(fù)電荷的概念和電荷守恒原理，但都基本都只限于定性認(rèn)識，很難開展定量研究。這是由于靜電力非常小，在當(dāng)時(shí)沒有測量如此微小力的工具。庫侖就是這時(shí)候天才般的發(fā)明了扭稱實(shí)驗(yàn)，通過這個實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)角度的測微計(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個刻度，懸絲自由松開時(shí)，橫桿上小木球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接觸后分開，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(zhì)小球A受到的庫侖斥力產(chǎn)生力矩使橫桿旋轉(zhuǎn)，懸絲也扭轉(zhuǎn)形變產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。因?yàn)閼揖€很細(xì)，作用在球上很小的力就能使棒顯著地偏離其原來位置。當(dāng)懸絲的扭轉(zhuǎn)力矩和庫侖力力矩相平衡時(shí)，橫桿處于靜止?fàn)顟B(tài)。

庫侖改變底盤上帶電球C和橫桿上帶電小球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(zhuǎn)角度為36度。第二次，兩球相距18個刻度，測得銀絲的旋轉(zhuǎn)角度為144度。第三次，兩球相距8.5個刻度，測得銀絲旋轉(zhuǎn)的575.5度。上述實(shí)驗(yàn)表明，兩個電荷之間的距離為4:2:1時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為 1:4:15.98。庫侖認(rèn)為第三次的偏是由漏電所致。經(jīng)過誤差修正和反復(fù)的測量，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，庫侖終于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。

其中k是靜電力常量，約為9×109N·m2/C2。這個常量并不是由庫侖計(jì)算得來的，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)的得出過程有著驚人的相似！在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律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，才由英國的科學(xué)家卡文迪許（Henry Cavendish，1731-1810）通過類似的扭稱實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算出來。

而單個電荷量也不是由庫侖測得的，但這并不妨礙庫侖的偉大。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庫侖（C）的電量是比較大的，因?yàn)殡姾傻碾娏糠浅Ｐ。粋€電子的電量僅為1.60×10-19 C，1C 就相當(dāng)于6.25×1018個電子帶電量。它和我們前面講過的電流之間的關(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年的國際電學(xué)大會上，電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(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，其作用距離不超過原子核線度。在微觀世界中，萬有引力與強(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)子之間的庫侖力（電磁力的一種）約是萬有引力的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。而萬有引力定律和庫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？這還是一個謎，有待人們?nèi)ソ沂尽?/p>

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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(xué)家。在伏特之前，人們只能應(yīng)用摩擦發(fā)電機(jī)，再將電存放在萊頓瓶中儲存，以供使用。這種方式相當(dāng)麻煩，所得的電量也受限制。1800年，已經(jīng)55歲的伏特發(fā)明了伏特電堆，其實(shí)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(guān)（如下圖所示）。伏特的這項(xiàng)發(fā)明使得電的取得變得非常方便。

圖9：伏特電堆原理圖

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。伏特用這種化學(xué)方法成功地制成了世界上第一個伏特電推。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)電流來進(jìn)行各種電學(xué)研究。伏特電池是一個重要的起步，它帶動了后續(xù)電氣相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展。

1807年，法國軍團(tuán)征服了意大利，法蘭西第一帝國皇帝拿破侖特意在巴黎接見了伏特。為了表彰他對科學(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年國際電學(xué)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(dǎo)線中流動，是因?yàn)樵陔娏髦杏兄唠妱莺偷碗妱葜g的差別。這種差別就叫電勢差，也叫電壓。換句話說，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(shí)踐來講，我們在日常生活中會經(jīng)常接觸電壓和伏特（簡稱伏）這個兩個名詞，可以說所有電器都離不開電壓這個基本的單位量。如7號電池上會注明1.5V，表示可以提供1.5V的電壓輸出；國內(nèi)的手機(jī)、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。

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電阻（R）的單位：歐姆（符號Ω）

歐姆（Georg Simon Ohm，1787-1854），德國的物理學(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程定量關(guān)系的客觀反映。我們在初中時(shí)便都學(xué)會了這個簡單的基本公式，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，歐姆能夠通過實(shí)驗(yàn)的方法得出這個定律，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)有人開始研究金屬電導(dǎo)率，人們發(fā)現(xiàn)不同金屬、不同長度、不同橫截面的金屬導(dǎo)體在電路中對電流不同的影響。于是在前人的基礎(chǔ)上，歐姆利用庫侖在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，制作了巧妙的測量裝置，并經(jīng)過了大量的了實(shí)驗(yàn)、推理、計(jì)算，最終于1826年確定了歐姆定律。1881年國際電學(xué)大會將電阻的單位定為歐姆（Ω）。

我們現(xiàn)在知道，導(dǎo)體對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)體對電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對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關(guān)。它的大小與導(dǎo)體的材料、長度、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，將給人類帶來很大的好處。比如在電廠發(fā)電、運(yùn)輸電力、儲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，由于沒有電阻，不必考慮散熱的問題，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，必在未來大放異彩。

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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(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。

電容器的組成也比較簡單，兩個相互靠近的導(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)電容器的兩個極板之間加上電壓時(shí)，電容器就會儲存電荷。電容器的電容在數(shù)值上等于一個導(dǎo)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(dá)為C=Q/U。如果一個電容器帶1庫侖電量時(shí)，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(shí)提過，1庫侖是相當(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) = 1×106微法(μF)

1微法(μF)= 1×106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)的一位大神級人物——法拉第說起。

法拉第（Michael Faraday，1791-1867），英國杰出的物理學(xué)家、化學(xué)家。法拉第出生于一個鄉(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，尤其是科學(xué)方面的書籍，他找到一本讀一本并認(rèn)真思考做筆記，同時(shí)他還喜歡聽各種學(xué)術(shù)講座。在他22歲時(shí)，當(dāng)時(shí)英國鼎鼎有名的化學(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)家奧斯特（Hans Christian ?rsted，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，法拉第做了一個裝置，如下圖所示。

他在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，并接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在沒有電池的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流！法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象！

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“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，并對麥克斯韋電磁場理論的建立也具有重大意義！

除此之外，1837年，法拉第引入了電場和磁場的概念，指出電和磁的周圍都有場的存在，這打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1881年國際電學(xué)大會用“法拉”做電容的單位，就是為了緬懷這個名叫法拉弟的牛人！

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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)電流通過線圈后，在線圈中會形成磁場感應(yīng)，這個感應(yīng)磁場又會產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電感，以符號L表示，單位是亨利（H），簡稱亨。電感是自感和互感的總稱。

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)化為磁能存儲起來，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)線在通過電流的時(shí)候都會產(chǎn)生磁場，把導(dǎo)體（導(dǎo)線）繞成螺旋狀，磁場就會被聚集，繞的圈數(shù)越多磁場強(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)就是一個被繞成螺旋狀的導(dǎo)線。

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度，它不會因?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。

亨利所生活的18世紀(jì)早期，世界科學(xué)的中心在歐洲。美國當(dāng)時(shí)處在建國初期，主要依靠移植歐洲現(xiàn)有的技術(shù)，以及借助歐洲人發(fā)現(xiàn)的科學(xué)原理開發(fā)新技術(shù)來發(fā)展經(jīng)濟(jì)。美國政治家、發(fā)明家富蘭克林（Benjamin Franklin 1706-1790）進(jìn)行了轟動歐洲科學(xué)界的電磁相關(guān)研究之后的70年間，電磁學(xué)研究在美國幾乎無人問津。同時(shí)，美國的科學(xué)界也普遍存在著重視技術(shù)發(fā)明而忽視基礎(chǔ)理論科學(xué)研究的傾向，但亨利卻一直對電磁學(xué)非常感興趣，潛心研究電磁學(xué)相關(guān)課題。

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)家開始用通電螺線管使鋼針磁化（安培通過這個實(shí)驗(yàn)研究出了安培定則，法拉第受這個實(shí)驗(yàn)啟發(fā)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，可見奧斯特的這個實(shí)驗(yàn)對后人有多么的啟發(fā)意義）。1825年，英國科學(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。他開始著手改進(jìn)電磁鐵。1831年他成功研制出一個能吸起約1噸重物的電磁鐵。

亨利對電磁鐵進(jìn)行了改裝。他在小電磁鐵附近加一帶彈簧的小鐵片，彈簧的另一端固定，當(dāng)電磁鐵接通電時(shí)，小鐵片被電磁鐵吸引，切斷電源，鐵片又被彈摘拉回原處，在這過程中小鐵片來回動作，撞擊電磁鐵發(fā)出“滴嗒嘀嗒”的聲音。這就是最早、最原始的繼電器。繼電器對電報(bào)的發(fā)明極為重要。亨利對電報(bào)的發(fā)明人莫爾斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872），電話的發(fā)明者貝爾（Alexander Graham Bell，1847年-1922年）都有過極大的幫助，貝爾甚至說“如果我沒有遇到亨利，我可能就不會發(fā)明電話了”。

1829年8月，亨利發(fā)現(xiàn)線圈在斷開電源時(shí)產(chǎn)生了電火花。1832年，他在《美國科學(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)過程。由于當(dāng)時(shí)沒有適當(dāng)?shù)膬x器，他甚至用人體受自感電動勢的電擊——他稱之為“直接受震法”，以驗(yàn)證自感電動勢的存在以及感覺它的強(qiáng)弱。

1893年8月，在美國芝加哥召開的國際電學(xué)大會上，來自9個國家的26位科學(xué)家代表一致通過正式命名“Henry”為電感的標(biāo)準(zhǔn)單位，“亨利 (Henry) ”與“法拉”、“歐姆”、“安培”一樣成了世界通用的計(jì)量術(shù)語。美國人的姓氏被用作科學(xué)計(jì)量上的標(biāo)準(zhǔn)單位，這在美國科學(xué)史上還是第一次。

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電導(dǎo)（G）的單位：西門子（符號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?？吹竭@一物理量，我們馬上就會想起另外一個物理量——電阻（R）。電阻表示的是導(dǎo)體對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)這個參數(shù)呢？因?yàn)樵谀承﹫鼍跋?，用電?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)。再比如我們在測量一些電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力時(shí)，常用到的參數(shù)就是電導(dǎo)率，通過測定電導(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。

電導(dǎo)的單位為西門子（S），這是為了紀(jì)念德國的發(fā)明家、企業(yè)家維爾納·馮·西門子（Ernst Werner von Siemens，1816-1892）。很多時(shí)候，我們會把西門子看成德國的一家大型企業(yè)，我們對西門子的印象和認(rèn)知可能更多的來自于這家企業(yè)的產(chǎn)品。的確，這家企業(yè)就是由西門子在1847年創(chuàng)立的，至今已有170多年的歷史了。目前，西門子公司業(yè)務(wù)主要集中在信息通訊、自動化控制、電力、交通、醫(yī)療系統(tǒng)和照明六大領(lǐng)域，業(yè)務(wù)遍及全球190多個國家和地區(qū)，全球有超過40萬雇員。按照2019年其營業(yè)收入988億美元，西門子公司名列世界五百強(qiáng)企業(yè)第70位。

西門子生活的時(shí)代正是第一次工業(yè)革命剛剛完成，人類正在向第二次工業(yè)革命進(jìn)軍的時(shí)代。以電力技術(shù)發(fā)明和廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的第二次工業(yè)革命浪潮中，西門子無疑是這波洶涌浪潮中最出色的弄潮兒之一。1847年，西門子和哈爾斯克（Johann Georg Halske,1814-1890）合伙建立了西門子-哈爾斯克電報(bào)機(jī)制造廠，也就是西門子公司的前身，主要生產(chǎn)西門子發(fā)明的指針式電報(bào)機(jī)。

1853年，他們成功鋪設(shè)了從芬蘭到克里米亞的一萬多公里電報(bào)線路。1866年，西門子研發(fā)出了自激式直流發(fā)電機(jī)。1877年，西門子對貝爾發(fā)明的電話進(jìn)行改良，產(chǎn)品性能得到了大幅提升，在整個歐洲銷量都很好。1880年，西門子在海曼姆工業(yè)博覽會安裝了世界上第一臺電梯，取代了原來依靠蒸汽動力的升降機(jī)。1881年，西門子在德國建立了第一個電子公共交通系統(tǒng)，使有軌電車成為人類出行的交通工具之一。除了電氣技術(shù)產(chǎn)品，西門子和他弟弟卡爾·西門子（Carl Heinrich von Siemens）提出了平爐煉鋼法，利用高溫回?zé)釥t把鐵砂直接冶煉成鋼，革新了煉鋼工藝。從那時(shí)開始，西門子公司便活躍在電氣工程的每一個領(lǐng)域，產(chǎn)品涉及我們現(xiàn)代化的生活方方面面。而西門子最終成為舉世聞名的德國“電子電氣之父”。

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.

[2] 國際計(jì)量大會（CGPM）：國際計(jì)量大會由米制公約締約國的代表參加，是米制公約組織的最高組織形式。1889年，第一屆國際計(jì)量大會召開，歷屆大會會討論國際單位制(International System of Units, SI制)之改進(jìn)及推展等事項(xiàng)，審查會員國最新研究發(fā)展出來的量測標(biāo)準(zhǔn)等。我國在1977年加入該組織。

[3] 國際單位制（International System of Units ，SI）：源自米制，舊稱“萬國公制”，是現(xiàn)在世界上最普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)度量衡單位系統(tǒng)，采用十進(jìn)制進(jìn)位系統(tǒng)。國際單位制是國際上通用的測量語言，是人類描述和定義世間萬物的標(biāo)尺。國際單位制是在公制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的單位制，于1960年第十一屆國際計(jì)量大會通過，推薦各國采用，其國際簡稱為SI。

[4] 國際電學(xué)大會：（International Electrical Congress）：國際電工委員會的前身。成立于1881年9月15日，當(dāng)時(shí)有28個國家的250名政府代表參加。大會批準(zhǔn)了英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(British Association for the Advancementof Science) 建議的、根據(jù)力學(xué)單位和標(biāo)準(zhǔn)定義的歐姆、伏特等“實(shí)用”電學(xué)單位，并定義了安培。此后，大會的官方性質(zhì)逐漸減弱。1904年，圣路易大會上提出成立國際電工委員會（IEC）。1908 年倫敦會議后，國際電學(xué)大會的工作轉(zhuǎn)給了國際電工委員會，其名稱也不復(fù)存在了。