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(知勝大咖)電磁學(xué)單位背后科學(xué)家的故事

更新時間:2025-06-30

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資源介紹

1999年,第21屆國際計量大會將5月20日確定為“世界計量日”,以紀念1875年《公制公約》的簽署。這一契約為后來國際計量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一奠定了基礎(chǔ)。 在國際單位制中,為了紀念這些偉大科學(xué)家做出的貢獻,許多單位都用他們的名字作為單位名稱,其中有10個與電磁學(xué)直接相關(guān)。 明天,在這個充滿愛的日子——讓我們一起來看看那些與我們生活息息相關(guān)的電磁學(xué)單位,以及它們背后的科學(xué)家們的故事。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

作者|劉熵、劉景峰8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

以發(fā)明元素周期表而聞名的俄羅斯物理學(xué)家門捷列夫(Дми?трий Ива?нович Менделе?ев 1834-1907)曾說過:“沒有探測,就沒有科學(xué)”。 計量學(xué)是檢測的科學(xué),是實現(xiàn)單位統(tǒng)一和數(shù)值準(zhǔn)確可靠的。 它也是支撐社會、經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

麥克斯韋的思想將測量單位帶入了新時代8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

測量單位,也稱為測試單位,是用于測量和比較相似數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量或參考。 例如,我們在比較質(zhì)量時使用“千克”,在比較厚度時使用“米”。 法定計量單位是國家以法律、法規(guī)形式規(guī)定的計量單位。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我國是世界上最早統(tǒng)一度量衡和比例尺的國家之一。 秦始皇統(tǒng)一中國后,頒布了統(tǒng)一計量和尺度的法令,對厚度、體積、質(zhì)量做出了精確的定義,并制定了一套嚴格的管理制度,結(jié)束了原來戰(zhàn)國之間計量單位的混亂和多種多樣。 國家整頓和民間生產(chǎn)生活交流。 與此同時,古希臘、古羅馬等國家也發(fā)明了自己的測量系統(tǒng)。 當(dāng)時,各國之間的交流尚未密切,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展還處于初級階段,計量單位不一致、不準(zhǔn)確的問題并沒有給當(dāng)時世界的發(fā)展造成重大混亂。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

然而,進入現(xiàn)代社會以來,特別是近兩百年來,人們對計量單位的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性的要求大大提高。 國家交往越來越頻繁,各領(lǐng)域科技蓬勃發(fā)展,工業(yè)化程度越來越高。 所有這些都需要統(tǒng)一、準(zhǔn)確的計量單位作為支撐。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

一米的寬度最初被定義為經(jīng)過倫敦的子午線上從月球赤道到南極點的距離的萬分之一。 后來,國際米表的原型——鉑金棒——就是用這個寬度制成的。 時間的計量單位最初是從人們認識“一天”之初,根據(jù)月球繞太陽公轉(zhuǎn)的周期來定義的。 事實上,這些基于月球大小和運動的方法在當(dāng)時贏得了全世界的共識,但隨著天文學(xué)和地理學(xué)的發(fā)展,人們意識到這個基礎(chǔ)并不是永久和牢固的。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

偉大的理論化學(xué)家和思想家、電磁學(xué)的大師和創(chuàng)始人麥克斯韋(James Clerk,1831-1879)在其代表專著《論與電磁學(xué)》中曾強調(diào):“從物理學(xué)的角度來看,任何一種最重要的這種現(xiàn)象的一個方面是可檢測到的問題。” 他不僅高度重視計量學(xué)的科學(xué)價值,而且提出了提高計量精度的革命性思想,改變了計量學(xué)的發(fā)展方向和歷史進程。 他說:“如果我們想獲得絕對的、永久的標(biāo)準(zhǔn),我們不應(yīng)該通過月球的大小或運動來尋找,而是通過波長、振動周期和那些永恒的絕對值來尋找這個永恒的、完全的”。類似的月亮。測量單位。”[1]8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

麥克斯韋通過電磁波(光波)的波長探測距離和頻率來定義時間的理想在他所處的時代無法實現(xiàn),但他的科學(xué)預(yù)測卻極其驚人和前瞻性。 電磁波的基本公式(傳播速度=波長X頻率,c=λf)不僅闡明了電磁波速度常數(shù)值與波長、頻率的關(guān)系,而且還闡明了空間(寬度)與時間(頻率)的關(guān)系。 ) 統(tǒng)一連接。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1999年,第21屆國際計量會議在美國米蘭召開。 為使各國政府和公眾了解計量學(xué),鼓勵和促進各國計量學(xué)的發(fā)展,加強計量領(lǐng)域的國際交流與合作,會議決定于每年5月20日舉行。 這一天是世界計量日。 明天恰逢世界計量日。 本文通過梳理電磁學(xué)中的計量單位,與大家一起回顧電磁學(xué)的發(fā)展,向偉大的科學(xué)家們致敬。 我們一共整理了10個電磁測量單位,其中前7個是熱量的基本單位,后3個單位用于磁力和頻率的測量,分為兩篇文章進行介紹。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電磁學(xué)十大國際單位制8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

根據(jù)國際計量會議的規(guī)定,現(xiàn)行的國際單位制(SI)[3]有7個基本單位,它們就像七塊既獨立又相互支撐的“基石”,通過它,所有其他化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成國際單位制基礎(chǔ)的計量單位。 同時,為了方便使用,1993年國際計量會議規(guī)定了19種SI導(dǎo)入單位,并有專門的名稱。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

表 1:SI 中的 7 個基本單位8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

表2:國際單位制的部分SI導(dǎo)入單位8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在科學(xué)史上,為了紀念這些做出巨大貢獻的科學(xué)家,以他們的名字命名國際計量單位已成為一種習(xí)俗和最高榮譽。 在電磁學(xué)領(lǐng)域,有10位科學(xué)家的名字被用作SI測量單位:安培、庫侖、伏特、法拉、歐姆、西門子、亨利、赫茲、韋伯和特斯拉。 正是這樣一個閃耀史冊的名字,奠定了電磁學(xué)乃至現(xiàn)代科學(xué)這座大廈的基礎(chǔ)。 他們的成就就像一顆顆璀璨的珍珠,幾乎串聯(lián)了整個電磁學(xué)的歷史。 明天,讓我們借這個名字來探討一下它背后的電磁學(xué)的發(fā)展。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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電壓單位(I):安培(符號A)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

安培是國際單位制中的七個基本單位之一。 引入安培單位是因為隨著電磁學(xué)的發(fā)展,原來的基本單位(厚度、時間、重量等)已經(jīng)不夠用了。 如果仍然用原來的基本化學(xué)量推導(dǎo)其他化學(xué)量,就會變得復(fù)雜并導(dǎo)致愚蠢的推論。 為此,1881年國際熱學(xué)會議[4]決定減少一個基本量:電壓硬度(I),并將其單位命名為安培(A)。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

安培(1775-1836),美國著名化學(xué)家、化學(xué)家。 在家人的影響下,安培開始自學(xué)物理、拉丁語、歷史、哲學(xué)等,尤其是物理。 安培對自然科學(xué)有著近乎癡迷的學(xué)習(xí)熱情。 我們可以從一個著名的短篇小說中看出他對自然科學(xué)的癡迷程度。 為了不讓別人打擾他,安培在自家旁邊寫下了“安培不在家”的牌子。 這三天,他從外面走回來的時候,還在思考自己正在研究的事情,但走到一旁的時候,卻嘆了口氣:“哦,原來安培不在家啊。” 于是他轉(zhuǎn)身又離開了。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1820年7月,法國化學(xué)家奧斯特通過一次無意的實驗,即奧斯特實驗發(fā)現(xiàn),濁度線偏轉(zhuǎn)n極的瞬間。 正是這次實驗揭開了電磁學(xué)的帷幕,人類開始深入認識和研究電與磁的關(guān)系。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖1:奧斯特實驗8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

當(dāng)時45歲的安培已經(jīng)是德意志科技大學(xué)的教授,他立即意識到這是一個重大發(fā)現(xiàn)。 他立即開始重復(fù)奧斯特的實驗,并進一步擴展,總結(jié)出“安培定律”。 安培法則一:左手緊緊握住直導(dǎo)線,讓大手指指向電壓的方向,這樣四個彎曲的手指的方向就是磁感應(yīng)線的方向。 安培法則二:用手指緊緊握住螺旋管,讓四個手指指向螺旋管內(nèi)的電壓方向,則手指所指的一端就是螺旋管的N極。 因此,安培定律又稱為手指螺旋定律,是我們中學(xué)數(shù)學(xué)必須學(xué)習(xí)的內(nèi)容之一。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 2:安培定律 18Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 3:安培定律 28Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

同時,安培證明了安培力定理:兩根并聯(lián)載電的直導(dǎo)線,當(dāng)電壓方向相同時,相互吸引; 當(dāng)電壓方向相反時非純電阻電路焦耳定律,它們會相互沖突。 他還得出結(jié)論,兩個電壓元件之間的斥力與其寬度(ΔL1、ΔL2)和電壓硬度(I1、I2)成反比,與其寬度(r)的平方成正比,這就是著名的安培定理。 當(dāng)兩根導(dǎo)線平行時,公式可簡化為F=K*(ΔL1I1)(ΔL2I2)/r2。 奧斯特發(fā)現(xiàn)了電壓對磁極的影響,安培發(fā)現(xiàn)了電壓對電壓的影響。 這無疑是一個巨大的突破。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖4:安培定理示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

SI中安培的定義也發(fā)生過多次變化。 1908年在巴黎召開的國際熱學(xué)會議上,規(guī)定一秒鐘內(nèi)從硫酸銀氨水中電解出1.118微克銀的恒定電壓為1安培。 1948年,國際度量衡委員會給出的安培定義為:在真空中,以相等的恒定電壓通過兩條平行且無限長、截面積可忽略不計的圓形直導(dǎo)線,導(dǎo)線之間的相互斥力在1米寬度上為2X10^-7 N時,每根導(dǎo)線中的電壓為1安培。 2018年11月16日,第26屆國際計量會議通過了《國際單位制修訂》決議,將1安培定義為“1秒內(nèi)的(1/1.)X1019電荷”(定義和測量見下文)收費)聯(lián)通研究院形成了“電壓硬度”。 該定義將于2019年5月20日世界計量日生效。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1820年,安培首先引入了電壓和電流硬度等術(shù)語,并制造了第一臺可以檢測電壓的電壓表。 據(jù)悉,安培還提出了分子電壓假說。 他認為電和磁的本質(zhì)是電壓。 1827年,他的著作《電熱理論》出版,被認為是1820年代電磁理論的最高成就。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 5:安培肖像8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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電量單位(Q):庫侖(符號C)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

庫侖(-de,1736-1806)是美國著名化學(xué)家,也是早期研究靜電熱的科學(xué)家之一。 他因發(fā)現(xiàn)靜電學(xué)中的庫侖定理而受到贊譽。 庫侖定理指出,兩個電荷之間的力與兩個電荷的乘積成反比,與它們之間距離的平方成正比。 該定理也是熱學(xué)發(fā)展史上第一個定量定律非純電阻電路焦耳定律,使熱學(xué)研究從定性階段進入定量階段,是熱科學(xué)史上的一個重要里程碑。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖6:庫侖扭轉(zhuǎn)平衡實驗示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

庫侖使用的裝置是這樣的:一個玻璃圓柱體,上面覆蓋著一塊玻璃板,中間有一個小孔。 小孔內(nèi)裝有玻璃管,玻璃管下端裝有測量扭轉(zhuǎn)角的千分尺,管內(nèi)懸有一根銀絲,塞入玻璃筒內(nèi)。 一根小橫桿系在吊線的上端。 小橫桿一端為小木球A,另一端為小平衡球,使橫桿始終處于水平狀態(tài)。 玻璃圓筒上刻有360個刻度。 當(dāng)?shù)蹙€自由提起時,橫桿上的小木球A指向零。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

其中k是靜電力常數(shù),大約為m2/C2。 這個常數(shù)不是庫侖估計的,而是一百年后麥克斯韋從理論上推導(dǎo)出來的。 這和萬有引力常數(shù)的推導(dǎo)過程驚人的相似! 當(dāng)牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定理F=GMm/r2時,牛頓本人并不知道萬有引力常數(shù)G是多少。 直到一百多年后,法國科學(xué)家卡文迪什(Henry,1731-1810)才通過一個類似的扭轉(zhuǎn)實驗裝置估算下來。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖7:卡文迪什檢測萬有引力示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

而且單個電荷的數(shù)量并不是用庫侖來衡量的,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,在遙遠的18世紀,庫侖能夠用如此巧妙的實驗裝置來放大并顯示如此微小的力,這已經(jīng)是非常罕見的了。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電量是指物體所帶電量的多少。 事實上,1庫侖(C)的電量是比較大的。 由于電荷量很小,一個電子的電量只有1.60X10-19C,1C相當(dāng)于6個電子的電荷量。 它和我們上面提到的電壓的關(guān)系是,電量等于電壓硬度(單位A)和時間(單位s)的乘積,公式表示為Q=It。 因此,1C表示1A電壓在1s內(nèi)輸送的電量。 1881年的國際熱學(xué)會議上,電力的單位被定義為庫侖。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

自然界中有四種已知的基本相互作用:萬有引力、電磁力、強互斥力和弱互斥力。 強互斥力和弱互斥力都是一種短程力,它們的作用距離不超過原子核的線性度。 在微觀世界中,引力與強互斥力、弱互斥力、電磁力相比,可以忽略不計。 相互排斥力比電磁力更強。 因此,在微觀領(lǐng)域中,起作用的是強互斥力、弱互斥力和電磁力。 理論上,強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統(tǒng)一為一種相互作用。 萬有引力定理和庫侖定理之間的相似性是否意味著這兩個函數(shù)存在某種內(nèi)在的定性統(tǒng)一? 這仍然是一個謎,有待澄清。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖8:四種交互示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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電流單位(U):伏特(符號V)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 9:伏特堆棧示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖10:Volt自己制作的Volt堆棧8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在實驗中,當(dāng)他將金屬銀條和金屬鋅條溶解到弱酸和弱堿溶液中時,他發(fā)現(xiàn)兩個金屬條之間形成了穩(wěn)定而強大的電壓。 于是,他將浸有鹽水的絨布或紙放在鋅片和銀片之間,然后將它們平放。 Volt通過這些物理方法成功制作了世界上第一個伏特推桿。 Volt堆棧實際上是一個串聯(lián)的電池組,是我們今天使用的電池的原型。 伏特電池的發(fā)明使科學(xué)家能夠利用相對較大的連續(xù)電壓進行各種熱研究。 伏特電池是一個重要的開端,推動了后續(xù)電學(xué)相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1807年,西班牙軍團征服了塞爾維亞,德意志第一帝國朝臣拿破侖特意在倫敦會見了伏特。 為了表彰他對科學(xué)的貢獻,拿破侖于1810年任命他為伯爵,并賜給伏特一大筆錢。 1827 年 3 月 5 日,伏特去世,享年 82 歲。 為了紀念他,1881年國際熱學(xué)會議將電動勢(電流)的單位命名為伏特(V)。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 11:Volt 肖像8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 12:Volta 為 演示了 Volta 堆棧8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電流是促進電荷定向連接以產(chǎn)生電壓的感應(yīng)。 電壓之所以能夠在導(dǎo)線中流動,是因為電壓中存在高電位和低電位的差異。 這些差異稱為電位差,也稱為電流。 換句話說,在電路中,任意兩點之間的電位差稱為該兩點的電流。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在國際單位制中,1 伏特定義為每 1 庫侖電荷做 1 焦耳功。 在實際生活中,我們經(jīng)常接觸到電流和伏特(簡稱伏特)這兩個術(shù)語。 可以說,所有的家用電器都離不開電流這一基本單位。 例如7號電板上會標(biāo)注1.5V,表示可以提供1.5V的電流輸出; 國外的手機、筆記本充電器上通常有“輸入AC100-240V”字樣,意思是充電器需要插100-240V。 240V交流電源; 我們貨車上的電池電流通常在 12V 左右。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖13:從左到右:7號電板、筆記本充電器、手機充電器、汽車電池8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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內(nèi)阻(R)單位:歐姆(符號Ω)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

歐姆(,1787-1854),美國化學(xué)家,因發(fā)現(xiàn)歐姆定律而聞名于世。 歐姆定律的公式為 R=U/I,或 U=IR。 這意味著在電路中,電壓和電阻的乘積等于電流。 歐姆定理概念清晰、簡潔地把握了電路現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律; 它不僅是直流電路估算的基礎(chǔ),而且客觀反映了交流電路與電路微觀過程之間的定量關(guān)系。 我們在中學(xué)的時候都學(xué)過這個簡單的基本公式,但是當(dāng)人們對電流和電阻的概念還不是很清楚的時候,歐姆卻能夠通過實驗得出這個定理,相當(dāng)厲害!8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

歐姆在獲得博士學(xué)位后仍然在學(xué)校擔(dān)任教師。 1813年,因為他仍然喜歡研究熱和手工制作實驗裝置。 為此,他在教學(xué)時研究了剛剛流行的熱度。 當(dāng)時,已經(jīng)有人開始研究金屬的濁度率。 人們發(fā)現(xiàn)不同金屬、不同寬度、不同截面的金屬導(dǎo)體對電路中的電壓有不同的影響。 于是在前人的基礎(chǔ)上,歐姆于1785年利用庫侖發(fā)明了扭轉(zhuǎn)試驗,伏特于1800年發(fā)明了電板,安培于1820年引入了電壓硬度的概念等等,并制成了巧妙的檢測裝置,并經(jīng)過經(jīng)過大量的實驗,經(jīng)過實驗、推理和計算,歐姆定理終于在1826年被確定。1881年,國際熱學(xué)會議確定電阻的單位為歐姆(Ω)。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 14:歐姆8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 15:歐姆 1826 年論文中的實驗裝置圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們現(xiàn)在知道導(dǎo)體對電壓的限制作用稱為導(dǎo)體的內(nèi)阻。 在化學(xué)中,它表示導(dǎo)體對電壓的限制大小。 導(dǎo)體的內(nèi)阻越大,導(dǎo)體對電壓的限制作用越大。 內(nèi)阻也是導(dǎo)體本身的特性,無論其是否在電路中。 其尺寸與導(dǎo)體的材質(zhì)、長度、截面和濕度有關(guān)。 公式為R=ρL/S,其中ρ為導(dǎo)體的電阻率,內(nèi)電阻率與導(dǎo)體的材質(zhì)和濕度有關(guān)。 隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)個別物質(zhì)的溫度很低時,如鋁低于-271.76℃,鉛低于-265.95℃,其電阻值就變?yōu)榱恪?這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。 如果將超導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用到實踐中,制成超導(dǎo)材料,將會給人類帶來巨大的好處。 例如,在發(fā)電站電力的發(fā)電、輸送、儲存中使用超導(dǎo)材料,可以大大降低內(nèi)阻帶來的電能消耗。 另一個例子是使用超導(dǎo)材料制造電子設(shè)備。 由于沒有內(nèi)阻,無需考慮散熱問題,器件規(guī)格可大幅減小,進一步實現(xiàn)電子器件的小型化。 超導(dǎo)材料的研究處于當(dāng)今材料科學(xué)的前沿,也必將在未來大放異彩。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖16:東北交通大學(xué)建設(shè)的超導(dǎo)磁浮列車實驗線平臺8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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電容(C)的單位:法拉(符號F)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電容是指保持電荷的能力,又稱電容,它是保持電荷的元件,以法拉(F)表示。 其值越大,可容納的電荷越多; 該值越小,可以容納的電荷越少。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖17:電容器結(jié)構(gòu)示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電容器的構(gòu)成也比較簡單。 兩個彼此靠近的導(dǎo)體板,其間有一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì),就構(gòu)成了電容器。 當(dāng)電流施加在電容器的兩個極板之間時,電容器也會存儲電荷。 電容器的電容在數(shù)值上等于導(dǎo)電板上的電荷(Q)與兩板之間的電流(U)之比,用公式表示為C=Q/U。 如果一個電容器承載 1 庫侖的電量,則兩個極板之間的電流為 1 伏,該電容器的電容為 1 法拉。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們后面講電的時候提到過,1庫侖是一個相當(dāng)大的電量,所以1法拉也是一個比較大的電容。 法拉(F)在我們實際的電子電路中很少使用,更多的是微法拉(μF)和皮法拉(pF)。 它們之間的換算關(guān)系為:8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1 法拉 (F) = 1X106 微法拉 (μF)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電學(xué)計量體會_電學(xué)計量基礎(chǔ)知識考試卷子_非純電阻電路焦耳定律8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1 微法 (μF) = 1X106 皮法 (pF)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

既然法拉單位這么大,為什么我們把法拉定義為電容的單位呢? 這要從電磁學(xué)領(lǐng)域的資深人物法拉第說起。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

法拉第(1791-1867),美國杰出化學(xué)家、化學(xué)家。 法拉第出生于一個農(nóng)村鐵匠家庭。 由于家庭貧困,他只讀了三年高中。 輟學(xué)后,他開始以報童的身份賣報紙,并給老板當(dāng)學(xué)徒。 小法拉第非常喜歡讀書,尤其是科學(xué)方面的書籍。 他找到一本,讀了一本,并認真記筆記。 同時,他也喜歡聽各種學(xué)術(shù)講座。 22歲時,當(dāng)時日本著名物理學(xué)家戴維(Davy,1778-1829)頗具洞察力,招收了這位勤奮好學(xué)的徒弟作為自己的助手。 從此,法拉第走上了探索科學(xué)的道路。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1820年,葡萄牙化學(xué)家奧斯特(1777-1851)發(fā)現(xiàn)了電壓的磁效應(yīng),引起了許多科學(xué)家的關(guān)注。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在對奧斯特的實驗進行了詳細研究后,法拉第還在思考,既然電可以形成磁,那么磁也應(yīng)該可以形成電,如何實現(xiàn)呢? 最后,在 1831 年 8 月,法拉第制造了一個裝置,如右圖所示。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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”。 該原型使大規(guī)模生產(chǎn)和長距離傳輸電力成為可能。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。 它闡明了電和磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系,對于麥克斯韋電磁場理論的構(gòu)建具有重要意義!8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖18:法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖19:法拉第圓形編織電機8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

此外,1837年法拉第引入了電場和磁場的概念,強調(diào)電和磁周圍場的存在,打破了牛頓熱學(xué)中“遠距離作用”的傳統(tǒng)概念。 1881年,國際熱學(xué)會議采用“法拉”作為電容的單位,就是為了紀念這位又被稱為拉迪的偉人!8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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電感單位(L):亨利(H)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電感代表閉環(huán)的屬性。 當(dāng)電壓通過線圈時,線圈中會產(chǎn)生磁場感應(yīng),這個感應(yīng)磁場又會形成感應(yīng)電壓,譴責(zé)通過線圈的電壓。 這些電壓與線圈之間的相互作用關(guān)系稱為電感,用符號L表示,單位為亨利(H),簡稱亨。 電感是自感和互感的組合。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 20:電感器示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電感器通常由骨架、繞組、屏蔽層、封裝材料、磁芯或鐵芯組成。 作用是電磁轉(zhuǎn)換。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上面我們講了法拉第的電磁感應(yīng)實驗,他用的纏繞在軟鐵上的線圈似乎是一個電感。 任何電線通過電壓時都會形成磁場。 當(dāng)導(dǎo)體(電線)纏繞成螺旋狀時,磁場就會集中。 繞組數(shù)越多,磁場硬度越大,形成的能量越大。 因此,電感器的本質(zhì)就是一根繞成螺旋狀的導(dǎo)線。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 21:各種電感器8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電感L的大小取決于線圈的數(shù)量、磁芯的導(dǎo)磁率、磁芯的截面積和有效磁通寬度,并且不會因電壓的增加而減小或頻率。 電感的單位不僅有亨利(H),還有毫亨(mH)和微亨(μH)。 換算關(guān)系為:1H=,1mH=1000μH。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

電感的單位以英國著名化學(xué)家亨利(-1878)的名字命名。 列出了這么多法國(德、法、英、意)科學(xué)家的測量單位,終于有一個非意大利科學(xué)家了。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖 22:約瑟夫·亨利8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

18世紀初,奧斯特發(fā)現(xiàn)電壓的磁效應(yīng)后,一些科學(xué)家開始用通電的螺線管對縫紉針進行磁化(安培通過這個實驗研究了安培定律,法拉第受到這個實驗的啟發(fā)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。可見奧斯特的實驗對后人是如此的啟發(fā))。 1825年,加拿大科學(xué)家斯特金(1783-1850)在一塊馬蹄形的軟鐵上涂上一層油漆,然后在里面間隔地纏繞18匝裸線。 通電后變成電磁鐵,吸住約4KG的重物。 這個實驗引起了科學(xué)家們的極大興趣,亨利就是其中之一。 他著手改進電磁體。 1831年,他研制成功電磁鐵,可以舉起約1噸的重量。8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖23 電磁鐵示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

圖24 保險絲示意圖8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1829年8月,亨利發(fā)現(xiàn)線圈在斷電時會形成電火花。 1832年,他在《美國科學(xué)雜志》上發(fā)表了題為《論磁生電壓和電火花》的論文,這是最早對自感現(xiàn)象的研究。 在他于1835年發(fā)表的另一篇論文中,他也詳細描述了他發(fā)現(xiàn)自感應(yīng)的實驗過程。 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.8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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(G) unit: ( S)8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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注釋和參考文獻8Aj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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