「如虚如实说」| 以“磁学单位”冠名的科学家们

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「如虚如实说」|以“磁学单位”冠名的科学家们

不久前,我们介绍了那些

「如虚如实说」| 那些被冠名为“电学单位”的名人们

今天,我们来介绍

以磁学单位冠名的科学家们

「如虚如实说」|以“磁学单位”冠名的科学家们

在国际单位中,磁学的单位只有2个

韦伯与特斯拉

下面我们就分别来介绍

韦伯

韦伯是磁通量,它是一个导出单位,其定义如下:1韦伯(Wb)=1伏特(V)×1秒(s),即1个1匝的线圈在1伏特电压作用下1秒钟所产生的磁通量。

韦伯这个单位得名于德国科学家威廉·爱德华·韦伯(Wilhelm Eduard Weber,1804-1891)。在韦伯小的时候,一家人与一位物理学教授共同租住一套房子。在这位教授的启蒙下,韦伯和他的兄弟都迷上了物理学,最后三兄弟都成为了有成就的科学家。

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1826年,韦伯获得了博士学位并留校工作。1827年,他在一次会议中见到了高斯(Johann Carl Friedrich Gauss,1777-1855)(参见《人工智能算法之五——模式识别》)。高斯非常欣赏这位才华出众的年轻人,特别邀请他到哥廷根大学(Göttingen University)工作。1831年,韦伯到了哥廷根大学,开始与高斯合作研究电磁学,两人很快就获得了突破性的进展。在理论上,两人提出了磁场的测量方法和测量标准。韦伯还设计了一个准确的磁场测量装置,可以用来测量电学中的多个参数。此外,两人设计并建造了一个3千米的电报线。

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韦伯设计的磁场测量装置

1833年,当地的国王修改了宪法,韦伯与学校的6位教授一起坚决反对,因此酿成了“七君子事件(Göttingen Seven)”,国王把他们全部免职。高斯亲自去找国王说情,国王表示只要韦伯公开道歉即可复职。韦伯坚决不同意,并因此离开了哥廷根大学,转到莱比锡大学(Leipzig University)工作。当时他的哥哥和弟弟都在那里工作,于是三人合作,在电磁学、生物力学及声学等领域都有建树。

1848年,国王迫于政治形势,不得不恢复了原来的宪法。翌年,韦伯回到了哥廷根大学。此时,高斯已经七十多岁了,精力大不如前,两人也就没有再合作了。如今,哥廷根大学还有高斯和韦伯两人的雕塑。

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1850年,韦伯入选为英国皇家学会院士。1856年,韦伯研究静电与电子运动的关系,发现两者的比例为3.1074×108米/秒(m/s),他用符号“c”来表示这个比例,却没有注意到这就是光速。1874年,韦伯入选为美国科学院院士。

韦伯终身未婚,晚年时由他的一个侄女照顾生活。1891年,他在家中安逝,终年87岁。

1881年,在亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz,1821-1894)的建议下,“韦伯”被用作磁通量的单位。当时还有人建议把“韦伯”用作电流的单位。不过亥姆霍兹与韦伯曾有过争拗,不愿意把电流的基本单位命名为“韦伯”。

特斯拉

特斯拉是磁感应强度(磁通密度)。它定义为每平方米(m2)内磁通量为1韦伯(Wb)的磁感应强度,即:1特斯拉(T)=1韦伯(Wb)/1平方米( m2

特斯拉这个单位得名于塞尔维亚裔的美国科学家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla,1856-1943)。特斯拉7岁时,他的哥哥在骑马时摔伤致死,这件事在他的心中留下了很深的阴影。

特斯拉在大学时就开始构思电机的设计。毕业后,他先在巴黎工作了几年,随后移民到了美国,在发明家爱迪生(Thomas Edison,1847-1931)的实验室工作,很快就做出了成绩。爱迪生让特斯拉改进电机的设计,并说如果能够做出成果就奖励5万美元(相当于今天的140万美元)。过了几个月,特斯拉把他设计的新电机交给爱迪生,并索取奖金,爱迪生却说他不懂得美国的幽默(“Tesla, you don't understand our American humor.”)。过了几个月,特斯拉就辞职走了。

特斯拉开始尝试自己创业,却不成功。1888年,投资商乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse,1846-1914)看中了特斯拉的技术,两人合作开发交流电机技术。但是不久后,精明的威斯汀豪斯就把特斯拉的股份和专利都买了下来。

特斯拉的交流电机比西门子的直流电机更加简单。它的定子由三组绕线的磁铁组成,转子只是个铁芯。转子转动时依次与三组磁铁产生电磁感应,从而产生三相电流,成为发电机。另外,供给三相电流,转子就会旋转,成了电动机。

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交流发电机原理动画

虽然爱迪生多番阻挠,特斯拉的交流电机还是大获成功。1893年,特斯拉和威斯汀豪斯一起在芝加哥的世界博览会上启动他的发电机,会馆瞬间光芒四射,引来无数宾客的惊呼。同年他们和通用电气公司(General Electric)合作的第一台水轮发电机在尼加拉瓜大瀑布建成发电,给纽约州带来了光明。

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特斯拉在尼加拉瓜大瀑布旁的雕塑

在后来的十数年间,特斯拉先后发明了高压输电、无线通讯、无线遥控、霓虹灯等。曾经有一位记者问爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)世界上谁是最聪明的人,爱因斯坦风趣地要他去问特斯拉(I don't know, you have to ask Nikola Tesla.)。

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特斯拉和他的高压实验

不过,特斯拉的福星渐退。1895年,他的实验室发生了火灾,损失了许多贵重的仪器及实验记录。1900年,他找到了银行大亨摩根(J. P. Morgan,1837-1913)投资兴建全球的无线通讯网络,但后来摩根撤资,特斯拉的计划也就终止了。

特斯拉终身未婚。在生命的最后10年里,他住在纽约的一家酒店中,每天只是去公园喂喂鸽子。

今天,威斯汀豪斯公司在全球排名384,通用电气在全球排名104,它们都曾得益于特斯拉的发明。特斯拉公司成立于2003年,公司的创始人敬佩特斯拉,因此以他的名字命名公司,现在全球排名383。

在电磁学中,我们还经常用到“赫兹”。这个单位用于描述时间的特征(每秒钟变化的次数),不是专用于电磁学的。它得名于德国科学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894),我们将另文介绍。

我们有时候还会看到“高斯”这个单位。上面讲到了高斯与韦伯合作,他不但是数学王子,也是电磁学的奠基人。

1832年,高斯设计过一个单位系统。这个系统用的是厘米-克-秒(centimeter–gram–second),因此简称CGS系统,也称高斯系统。它与我们上面介绍的国际单位系统不同,国际单位用的是米-千克-秒(meter-kilogram-second)。对于长度和质量,两者的换算简单明了。但对于电磁学的单位,两者的换算却比较麻烦,这是因为国际单位把电流作为基本单位。而在CGS系统中,电流只是一个从电荷导出的单位,两者的性质有所不同。下表是磁学单位在CGS单位系统与国际单位系统中的转换关系。

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在CGS单位系统中,磁通量的单位得名于詹姆斯·麦克斯韦尔(James Clerk Maxwell,1831-1879),我们将另文介绍;磁通密度的单位得名于高斯磁场强度的单位得名于汉斯·克里斯汀·奥斯特(Hans Christian Oersted,1777-1851),奥斯特是最先发现电磁感应的人。这个单位与磁通密度不同,它描述的是在1米长的导线中通过一定数量的电流时所产生的磁场。

1860

麦克斯韦尔率先带动英国使用CGS单位系统。

1875

法国、德国、俄国等17个国家签署“米制公约(Metre Convention)”,以协调各国的计量单位。不久,位于法国的国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures,简称BIPM)成立。BIPM负责领导国际计量委员会(CIPM)制定计量标准并组织召开国际计量大会(General Conference of Weights & Measures,简称CGPM)。

1889

第1届国际计量大会召开,并提出了上述的国际单位系统(Système international d'unités,简称SI Units)。

1901

意大利物理学家Giovanni Giorgi(1871-1950)证明电磁学的单位也可以用米-千克-秒的单位系统来表述

1946

第6届国际计量大会通过了以“米-千克-秒-安培”为基准的国际单位系统。不过由于没有人去把CGS单位系统标准化,CGS的单位也就有些混乱,不同的书甚至会有不同的说法。

1947

国际标准组织(International Organization for Standardization,简称ISO)在瑞士成立。其宗旨是为世界各地的产品、服务、产品的生产过程、服务的方法、以及环境保护设定统一的标准。

1960

国际标准组织认定国际单位标准系统为世界的统一计量系统(现行的标准是ISO 80000)。

1971

第14届国际计量大会通过了以 “米-千克-秒-安培-摩尔” 为基准的国际单位系统。

2018

国际计量大会通过了最新的单位系统,这个系统有七个基本单位:“秒-米-千克-安培-凯文(温度)-烛光-摩尔”。在这七个单位中,只有秒和摩尔数是独立的,其他单位都可以由秒及一些物理常数推出。

今年5月,国际计量局将召开大会

主题是 “数字时代的计量”

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