电磁计量单位及其基准的发展

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1、电磁计量单位及其基准的发展　　原中国计量科学研究院研究员沈平子　　电磁计量离不开电磁测量，早在1864年麦克斯韦（M.J.Maxwell）在其《电磁理论》中就指出：“从数学观点看，任何一种现象的最重要方面是可测量的问题。因此，我主要从测量它们的观点来研究电的现象，叙述测量方法，并定义它们所依据的标准”。电磁计量就是研究和保证电磁测量量值统一和准确的学科，它包括定义电磁学单位、按定义实现电磁学单位、建立实物基准保存电磁学单位、研究电磁量的测量方法以及进行电磁学单位量值的传递或溯源的全部工作。由于电磁测量

2、方法涉及面太广，本文不包括这方面内容。　　电磁计量的理论基础　　早在公元前3世纪，《韩非子》就记载有司南，《吕氏春秋》记有慈石召铁。东汉王充在《论衡》中所描述的“司南勺”，已被公认为最早的磁性指南器具。　　19世纪前，电学测量和磁学测量是独立发展的，主要是通过静电与静磁的机械力效应转化为位移指示来测量的。1785年库仑（C.A.Coulomb）用他自己发明的扭秤，从实验上得出了静电力的距离平方反比关系，由电荷间和磁极间相互作用力导出的库仑定律一直被公认为电磁学的基本定律。伏打（A.Volta）在175

3、5年发明了起电盘，1800年又发明了伏打电池；1820年奥斯特（H.C.Oersted）发现导线通电可使磁针受力偏转，即动电生磁现象；同年安培（A.M.Ampere）由实验发现电流之间的相互作用力，1822年进一步研究后提出了安培定律；1826年欧姆（G.S.Ohm）受付立叶热传导理论的启发，通过实验确立了欧姆定律；1831年法拉第（M.Faraday）发现电磁感应，即动磁生电现象，从而揭示了电和磁之间的关系。法拉第原来是一个文具店的学徒工，从小热爱科学，奋发自学，没有受过系统的数学教育，但他是一位具

4、有深刻直觉能力的实验物理学家，他谙熟18世纪后半叶开始的几乎一个世纪内所有电和磁的基本实验规律，如库仑定律、安培定律以及他自己发现的法拉第定律。不用一个数学公式，凭直觉的可靠性创造出“力线”和“场“的概念。麦克斯韦比法拉第小40岁，生于英国爱丁堡的世家，从小喜欢数学，对法拉第的贡献十分钦佩，20岁时就下决心要把法拉第的物理思想用数学公式定量表达出来。他大胆提出“变化的磁场产生电场”和“位移电流”的假设。把静电场、静磁场和电磁感应定律中的核心部分推广到随时间变化的电荷、电流所产生的迅变电磁场。1864年

5、，把它们高度概括为具有优美数学形式的四个方程，即麦克斯韦方程组，描述了电磁场的普遍规律，从而开创了物理学又一个新起点。　　以上事实说明，库仑定律的验证、欧姆定律的建立、奥斯特发现电流的磁效应、伏打发现化学电源、安培发现电流之间的相互作用力、法拉第发现电磁感应现象，无一不是通过大量实验得出的。实验，只有实验，才是物理学的立论根据。实验更是计量学（包括电磁计量）的基础，计量科学本身就是实验科学。　　电磁学单位制的产生　　任何一个物理量都具有两个特性：一是可测，二是可用数学形式表明其物理含义。可测意味着同一

6、类的两个“量”之比是一个纯数，如圆的周长与直径都是长度，属同类量，其比值为纯数π，可通过实验测出这个比值。一个“量”的“单位”则是通过协议所选取的这个“量”的参考，其数值为1，也就是数值公认为“1”的量。麦克斯韦提出：　　物理量=纯数×单位　　Q={Q}×[Q]　　表示Q所采取的“单位”，而{Q}是Q以[Q]为单位时的数值。为了描述一个物理过程、现象，并定量地表示它们，每一个物理量都要有一个单位。　　世界上的物理量很多，但可以选择少数相互独立的物理量，使其它物理量都能通过这些量的组合而进行定义。这少数

7、的物理量称为“基本量”，而把遵守物理学法则通过组合而构成的量叫做“导出量”。为了用数值表示它们的大小，就要规定其单位，当基本量的单位规定之后，导出量的单位就能通过这些单位的组合而形成。这样就构成了一个同一体系的单位群，称之为“单位制”。如果量之间、单位之间或数值之间存在完全相同的形式，即导出单位定义式中的单位转换系数均为1，则此单位体系称为“一贯性”单位制。　　如前所述，19世纪60年代前后，电磁学有了明显发展。人们开始对力学，电学和磁学的各种量的单位选择进行了大量的研究讨论，许多科学家主张用力学量单

8、位作为基本单位，反映了他们机械论的观点。当时人们总认为，一切自然现象（包括电磁现象）最终都应归属于机械运动。早在1832年，高斯（K.F.Gauss）在他著名论文《换算成绝对单位的地磁强度》（凡用质量、长度、时间为基本量导出的单位，均称为绝对单位）一文中就强调指出：“必须用根据力学中的力的单位进行的绝对测量来代替用磁针进行的地磁测量”。1863年麦克斯韦也指出：“使我们了解到电的那种现象是属于力学性质的，因此必须通过力学单位和标准来测量电”。高斯提出了一