特別聲明：本文為新華網客戶端新媒體平臺“新華號”賬號作者上傳并發布，僅代表作者觀點，不代表新華號的立場及觀點。新華號僅提供信息發布平臺。

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，這項協議為后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里——讓我們看看與生活息息相關的電磁學單位，以及它們背后科學家的故事。

撰文 | 流熵、劉景峰

因發明元素周期表而聞名世界的俄國化學家門捷列夫（Дми?трий Ива?нович Менделе?ев 1834-1907）曾說過：“沒有測量，就沒有科學?！庇嬃空顷P于測量的科學，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。秦始皇統一中國后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了各自的計量制度。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。

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，后來以這個長度制作了國際米原器——鉑桿。而時間的計量單位，最初從人們認識“一天”開始，基于地球公轉太陽的周期來定義。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范圍的共識，但隨著天文學和地理學的發展，人們認識到這個基礎并不是永久而牢固的。

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?！彼坏珜τ嬃康目茖W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。他說：“如果希望得到絕對恒久的標準，我們不能以地球的大小或運動來尋找，而應以波長、振動周期和這些永恒不變的絕對數值，來尋找這些永恒不變且完全相似的計量單元?！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X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系，還揭示了空間（長度）和時間（頻率）之間對應與統一的聯系。

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了解計量，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，后3個單位則用在磁學和頻率的計量中，分為前后兩篇文章進行介紹。

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。

表1：國際單位制中的7個基本單位

表2：部分國際單位制SI導出單位

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后的電磁學發展之路。

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著電磁學的發展，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），并把它的單位命名為安培（A）。

安培（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著異人的天賦。安培對自然科學有著近乎癡迷的學習熱情，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，頭腦中還思考著自己研究的東西，結果自己走到門口時，嘆了一聲，“哎，原來安培不在家啊。”于是他扭頭又走了。

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，人類開始深入了解并研究電與磁之間的關系。

圖1：奧斯特實驗

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，他立刻開始重復奧斯特的實驗，并進一步深入拓展，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，那么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。

圖2：安培定則1

圖3：安培定則2

同時，安培證明了安培力定律：兩根平行通電直導線，電流同向時，相互吸引；電流反向時，相互排斥。他還總結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。當兩導線平行時，公式可以簡化為F=K*（ΔL1I1）（ΔL2I2）/r2。奧斯特發現了電流對磁體的作用，而安培發現了電流對電流的作用，這無疑是巨大的突破。

圖4：安培定律示意圖

國際單位制中安培的定義也先后發生過幾次改變。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毫克銀的恒定電流為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，通以等量恒定電流，導線間相互作用力在1米長度上為2X10^-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）X1019個電荷（電荷的定義及計量見下文）移動所產生的電流強度”。此定義于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，還制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說，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。

圖5：安培畫像

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。

圖6：庫侖扭稱實驗示意圖

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，在管內懸一根銀絲并伸進玻璃缸內。懸絲下端系住一個小橫桿，小橫桿的一端為木質小球A，另一端為平衡小球，使橫桿始終處在水平狀態。玻璃圓筒上刻有360個刻度，懸絲自由松開時，橫桿上小木球A指零。

其中k是靜電力常量，約為9X109N·m2/C2。這個常量并不是由庫侖計算得來的，而是由一百年后的麥克斯韋根據理論推導得出的。這和引力常數的得出過程有著驚人的相似！在牛頓發現萬有引力定律F=GMm/r2時，牛頓本人并不知道引力常數G是多少，直到100多年后，才由英國的科學家卡文迪許（Henry Cavendish，1731-1810）通過類似的扭稱實驗裝置計算出來。

圖7：卡文迪許測量萬有引力示圖

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條件的限制，在遙遠的18世紀，庫侖就能用這么巧妙的實驗裝置，放大并顯示了這么微小的力，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1.60X10-19 C，1C 就相當于6.25X1018個電子帶電量。它和我們前面講過的電流之間的關系是，電量等于電流強度（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1039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，是否意味著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。

圖8：四種相互作用示意圖

3

電壓（U）的單位：伏特（符號V）

圖9：伏特電堆原理圖

圖10：伏特親手制作的伏特電堆

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。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。伏特用這種化學方法成功地制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，它帶動了后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侖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。為了紀念他，1881年國際電學大會將電動勢(電壓)單位取名伏特（V）。

圖11：伏特畫像

圖12：伏特為拿破侖演示伏特電堆

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，是因為在電流中有著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。換句話說，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。

圖13：從左往右依次：7號電池、筆記本充電器、手機充電器、汽車電瓶

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于電壓。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系的客觀反映。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年博士畢業后一直在中學當老師，由于他一直喜歡研究電學和動手制作實驗裝置，因此他一邊教學一邊鉆研剛剛興起的電學。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。于是在前人的基礎上，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，制作了巧妙的測量裝置，并經過了大量的了實驗、推理、計算，最終于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）。

圖14：歐姆

圖15：歐姆1826年論文中的實驗裝置圖

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、橫截面和溫度都有關系，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溫度有關。隨著科學的發展，科學家發現某些物質在很低的溫度時，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于實際，制成超導材料，將給人類帶來很大的好處。比如在電廠發電、運輸電力、儲存電力等方面采用超導材料，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。

圖16：西南交通大學搭建的超導磁懸浮列車實驗線平臺

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。

圖17：電容結構示意圖

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于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），英國杰出的物理學家、化學家。法拉第出生于一個鄉村鐵匠的家庭，小時候由于家里貧窮只上了兩年的小學。輟學后，他開始當報童賣報，當學徒給老板干活。小法拉第特別喜歡讀書，尤其是科學方面的書籍，他找到一本讀一本并認真思考做筆記，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（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后，一直在思考，既然電能產生磁，那么磁也應該能夠產生電，但是如何才能夠實現呢？終于在1831年8月，法拉第做了一個裝置，如下圖所示。

在此之后，他根據電磁感應原理親手制作了世界上第一臺“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系，并對麥克斯韋電磁場理論的建立也具有重大意義！

圖18：法拉第發現電磁感應示意圖

圖19：法拉第圓盤發電機

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“超距作用”的傳統觀念。1881年國際電學大會用“法拉”做電容的單位，就是為了緬懷這個名叫法拉弟的牛人！

6

電感（L）的單位：亨利（H）

電感表示閉合回路的一種屬性。當電流通過線圈后，在線圈中會形成磁場感應，這個感應磁場又會產生感應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。

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，它能夠將電能轉化為磁能存儲起來，在適當的時候又能釋放出去再轉化成電能，它的核心作用就是電磁轉換。

在前面我們講法拉第進行電磁感應實驗，他所用纏在軟鐵上的線圈其實就是電感。任何導線在通過電流的時候都會產生磁場，把導體（導線）繞成螺旋狀，磁場就會被聚集，繞的圈數越多磁場強度也就越大，產生的能量也就越大，所以電感器的實質其實就是一個被繞成螺旋狀的導線。

圖21：各式各樣的電感

電感L的大小取決于繞線圈數，磁芯的磁導率，磁芯的截面積和有效磁路長度，它不會因為電流或者頻率的增高而增大。電感單位除了亨利（H）之外，還有毫亨（mH）、微亨（μH），換算關系為：1H=1000mH，1mH=1000μH。

電感的單位是為了紀念美國著名的物理學家亨利（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）的科學家計量單位名字后，終于有一位非歐洲的科學家了。

圖22：約瑟夫亨利

18世紀初在奧斯特發現了電流的磁效應后，一些科學家開始用通電螺線管使鋼針磁化（安培通過這個實驗研究出了安培定則，法拉第受這個實驗啟發發現電磁感應，可見奧斯特的這個實驗對后人有多么的啟發意義）。1825年，英國科學家斯特金（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圈裸導線，通電后就成了電磁鐵，吸起了約4KG的重物。這一實驗引起科學家的極大興趣，亨利正是其中之一。他開始著手改進電磁鐵。1831年他成功研制出一個能吸起約1噸重物的電磁鐵。

圖23 電磁鐵示意圖

圖24 繼電器示意圖

1829年8月，亨利發現線圈在斷開電源時產生了電火花。1832年，他在《美國科學學報》發表了題為《關于磁生電流與電火花》的論文，這是關于自感現象最早的研究。他在1835年發表的另一篇論文中還詳細介紹了自己關于發現自感實驗過程。由于當時沒有適當的儀器，他甚至用人體受自感電動勢的電擊——他稱之為“直接受震法”，以驗證自感電動勢的存在以及感覺它的強弱。

7

電導（G）的單位：西門子（符號S）

電導代表某一種導體傳輸電流能力的強弱程度。電導值越大，導體傳輸電流的能力就越強。電導越小，導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）。電阻表示的是導體對電流阻礙作用的大小。所以我們不難看出，電導和電阻是描述導體傳輸電流能力的兩個不同角度。在純電阻線路中，電導和電阻互為倒數，其換算公式為G=1/R。

為什么有了電阻后還要有電導這個參數呢？因為在某些場景下，用電導更容易理解和使用。比如，在并聯電路中求總電阻，我們需要將各電阻倒數相加再求倒數，而用電導，我們只需要將各電導直接相加就可以得到總電導。再比如我們在測量一些電解質溶液的導電能力時，常用到的參數就是電導率，通過測定電導率我們就可以知道這些液體的導電能力如何，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體方面的特性。

圖25：并聯電阻計算公式

圖26：電導儀

圖27: 維爾納·馮西門子

注釋及參考文獻

[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.

來源：返樸

編輯：Quanta shuang

來源：新華號 中科院物理所