赫兹的电磁波实验(赫兹是什么的物理学单位)
之前我们推送了七个电学计量单位是怎么来的世界计量日一文介绍了7个以科学家名字命名的电学相关国际单位本文介绍两个磁学相关单位特斯拉T韦伯Wb以及在物理学和各领域常用的单位赫兹Hz
撰文刘景峰
电磁学是一门研究电和磁相互作用现象规律和应用的物理学分支学科在奥斯特发现电流的磁效应之前人们一直认为电和磁是两种完全独立的现象直到近代以来随着人们对两者的研究越来越深入才发现它们的关系如此紧密
根据近代物理学的观点磁现象是由运动电荷所产生的因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容其实人们对磁学的认识和利用比电学早很多早在两三千年前世界各地的人们就已经发现了自然界各种天然存在的磁铁发现了磁这种现象有学者认为在我国战国时期就已经能够制作并使用司南也就是指南针的前身辨别方向了尽管古人对于磁的原理尚不清楚
图1司南模型
图2指南针
近代磁学的诞生始于1600年英国物理学家吉尔伯特WilliamGilbert15441603论磁的发表他用实验的方法提出地球本身就是一个大磁体还提出了如磁轴磁子午线等概念在18世纪末期至19世纪初期库仑CharlesAugustindeCoulomb17361806泊松SimeonDenisPoisson17811840格林GeorgeGreen17931841等人先后通过实验及数学理论建立起了静电学和静磁学对电与磁之间的关系有了科学理性的初步认识
我们在上篇文章中已经讲了7个关于电学的国际计量单位这篇文章中我们将会继续介绍两个关于磁学的国际单位制导出单位特斯拉T韦伯Wb及一个不仅在电磁学中常用而且在其他学科一样普遍应用的单位赫兹Hz
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1磁感应强度B的国际单位特斯拉符号T
特斯拉NikolaTesla18561943是塞尔维亚裔美籍物理学家发明家他是交流电无线电无线遥控火花塞X光乃至水电工程的重要创造者和推动者公认为是电力商业化的鼻祖他一生中最重要的贡献就在于他主持设计了现代交流电系统这是电力时代大发展的基础也正因为这一点他的崇拜者视他为发明了20世纪的人1960年为了纪念特斯拉第十一届国际计量大会决定把国际单位制中磁感应强度的单位命名为特斯拉美国著名的特斯拉汽车公司创始人将其公司生产的纯电动汽车取名叫特斯拉也是为了向这位伟大的天才和先驱致敬
图3特斯拉
图4特斯拉汽车
图5磁感应强度单位示意图
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度是描述磁场强弱和方向的物理量常用符号B表示数值越大表示磁感应越强数值越小表示磁感应越弱
那1特斯拉究竟表示多大磁感应强度呢根据公式BFIL其中F为在磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力I为电流大小L为导线长度推导我们得知将带有1A恒定电流的直长导线垂直放在均匀磁场中若导线每米长度上受到1N的力则该均匀磁场的磁感应强度定义为1T医院中常用的核磁共振就是根据设备磁感应强度的不同分为15T3T4T等型号
图6德国西门子公司生产的3T磁共振成像设备
相对而言1T的磁感应强度也是相当大的地球磁场的磁感应强度大概才是0T0T
特斯拉是国际单位制在电磁单位系统中还有另外一种单位制高斯单位制Gaussianunits高斯单位制也属于公制它是从厘米克秒制衍生出来的随着时光的流易越来越多的国家开始逐渐放弃高斯单位制改采用国际单位制在大多数领域国际单位制也是主要使用的单位制目前高斯单位制必须与国际单位制挂钩才有实验意义因为只有国际单位制才对各个物理量有精确的定义
在高斯单位制中表示磁感应强度的单位叫高斯Gs它和特斯拉之间的换算关系是1TGs所以地球磁场的磁感应强度也可以表示成05Gs06Gs
高斯JohannCarlFriedrichGau17771855是德国著名的数学家物理学家天文学家然而凭1特斯拉高斯就能说两人之间的差距有这么大么肯定是不能如此简单的类比了
高斯被认为是历史上最重要的数学家之一并享有数学王子之称高斯一生的成就非常之多单纯以高斯命名的数学概念就至少有几十个如高斯分布高斯曲率等当属数学家中之最
图7数学王子高斯
除了数学之外高斯在物理学天文学等方面都创造了惊人的业绩在电磁学方面取得的成绩尤为突出高斯从1831年开始进行电磁学的实验研究1833年他建成一座地磁观察台成为当时观察研究磁偏角变化的中心同时他与我们将在下文提到的另一位物理学家韦伯合作成功研制了德国第一台电磁电报设备1839年他确立了静电场中的最基本的一个定理高斯定理
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1磁通量的国际单位韦伯符号Wb
韦伯WilhelmEduardWeber18041891德国著名的物理学家1843年韦伯被莱比锡大学聘为物理学教授之后韦伯对电磁作用的基本定律进行了研究
图8德国物理学家韦伯
19世纪初牛顿力学定律成功运用于测量那些看得见得重物在天文学上也获得了惊人的成功但并不是所有已知的物理现象都能得到合理的解释如何确定不可估计物质的度量如电磁热等量仍没有解决方法这在当时是一个重要的研究方向
为了研究这些基本性质韦伯发明了许多电磁仪器他于1841年发明了既可测量地磁强度又可测量电流强度的电流表1846年发明了可用来测量交流电功率的电功率表1853年还发明了测量地磁强度垂直分量的地磁感应器1856年他和科尔劳施RudolfHermannArndtKohlrausch18091858测出了静电单位电量与电磁单位电量的比值为麦克斯韦JamesClerkMaxwell18311879算出光速提供了支持
此外韦伯还和数学王子高斯一起合作研究磁学韦伯负责做实验高斯负责研究理论韦伯的实验引起了高斯对物理问题的兴趣而高斯则用数学处理物理实验问题影响了韦伯的思想方法1933年国际电工委员会
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通过了以韦伯为磁通量的实用制单位并在1948年获得国际计量大会的承认
磁通量是一个标量符号它的计算公式为BScos其中为S与B的垂面的夹角如果在磁感应强度为B的匀强磁场中一个面积为S且与磁场方向垂直的平面磁感应强度B与面积S的乘积就是穿过这个平面的磁通量
图9当S与B有夹角时磁通量示意图
图10S与B垂直时磁通量示意图
由此我们得知磁通量的物理意义就是表示穿过某个面积的磁感线的条数发电机的原理就是切割磁感线而切割磁感线实际上就是为了改变磁通量改变磁通量就能产生电流而电流的大小就和磁通量改变快慢有关
图11发电机示意图转子转动越快磁通量改变越大电流越大
1Wb的磁通量是多大呢根据公式BScos我们可以这样计算在磁感应强度为1T的均匀磁场中面积为1平方米的平面与磁场方向垂直为零度cos等于1此时经过这个平面的磁通量就是1Wb因为1T的磁感应强度已经是相当大的了所以1韦伯的磁通量也可以说相当大了
韦伯Wb是国际单位制在高斯单位制中表示磁通量的单位是麦克斯韦Mx它和韦伯之间的换算关系是1Wb10
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Mx即1韦伯等于1亿麦克斯韦两者之间的数量级明显更大了麦克斯韦何许人本文的上篇开篇时介绍了他的计量思想
图12英国物理学家麦克斯韦
说起麦克斯韦在物理学界可以说是无人不知无人不晓这位伟大的英国物理学家数学家被认为是对现代物理学最有影响力的人之一他凭着过人的天赋与极深的数学造诣在电磁学分子物理学统计物理学光学力学弹性理论方面都有所建树这其中最为闪耀的就是他在电磁学方面的成就
1864年他在英国皇家学会宣读了电磁场的动力学理论第一次完整地阐述了他的电磁场理论完成了著名的麦克斯韦方程组震惊了世界这个方程组也被认为是人类历史上最伟大的公式之一
图13积分形式的麦克斯韦方程组
麦克斯韦用精确的数学公式描述了电场与磁场的关系以一种近乎完美的方式统一了电和磁并预言了电磁波的存在德国科学家赫兹HeinrichRudolfHertz18571894对麦克斯韦理论深信不疑在麦克斯韦去世8年后赫兹最终用实验证实了电磁波的存在麦克斯韦这位电磁学的集大成者也被后人誉为电磁学之父
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1频率f的单位赫兹符号Hz
频率f是单位时间内完成周期性变化的次数是描述周期运动频繁程度的量其公式为f1t可以看成时间的倒数其单位为赫兹Hz简称赫它表示1秒钟周期性变动重复次数如1赫兹就表示1秒钟内重复1次2赫兹就表示重复2次以此类推因此凡是有周期性运动的物理现象都会用到频率这个物理量
在电磁学中电磁波的频率比较高赫兹这个单位使用起来就不太方便了所以电磁学中常用的单位是千赫兹kHz兆赫兹MHz吉赫兹GHz等换算关系如下
1kHz1000Hz110
3
Hz1MHzHz110
6
Hz1GHzHz110
9
Hz
图14根据频率高低将电磁波分为以上几种类型
德国物理学家赫兹因证实电磁波的存在而被人铭记在赫兹之前虽然法拉第发现了电磁感应现象麦克斯韦也完成了的较为完备的电磁理论体系但谁也没有检验过电磁波的存在整个电磁理论还处于空想阶段直到赫兹首先验证了电磁波的存在才使理论变成了现实天才的思想终成世人公认的真理
图15赫兹验证电磁波实验装置示意图
1888年赫兹设计了一个谐振器以检测电磁波这个谐振器非常简单就是把一个粗铜丝弯成环状环的两端各连接一个小球左边的装置就是一个简单的电磁波发射器当通电时感应线圈中产生震荡电流在振子中间的两个金属小球间就会放电形成电火花而此时距离发射器几米之外的谐振器则会产生感应电流在两个小球间也会生成电火花赫兹认为这种电火花就是电磁波这个实验成功地表明感应线圈上发出的能量确实被辐射了出来跨越空间并且被接收了下来
图16赫兹
但是即使赫兹是最早证实了电磁波的人他也从来没有想到电磁波能干什么或者有什么用处他更不会想到未来的世界将是一个被电磁波包围的世界
在发现电磁波7年后意大利的马可尼GuglielmoMarconi18741937和俄国的波波夫18591906各自独立实现了无线电信息的传递随后无线电报很快投入实际使用其他利用电磁波原理的技术也像雨后春笋般相继问世无线电广播无线电导航无线电话电视微波通讯雷达以及遥控遥感卫星通讯射电天文学等等它们使整个世界面貌发生了深刻的变化人类文明与科技与电磁波紧紧的联系在了一起电磁波变成我们生活中不可或缺的一部分
赫兹对人类社会做出贡献无疑是十分巨大且不可估量的但不幸的是天妒英才1894年1月1日赫兹因血液病而英年早逝年仅36岁为了纪念他人们把频率的单位称为赫兹
铭记与传承
国际单位制中电磁学中的10个计量单位到此就全部讲完了二百年间正是这些我们耳熟能详的科学家们前仆后继为电磁学理论大厦不断添砖加瓦后来人才能更好地认识理解和应用电磁波使之为我们的现代化生活所服务这些电磁学的先驱将值得我们永远铭记我们也正是以计量单位为他们命名这种最直接的方式向他们表示着敬意
21世纪的今天如果我们回头梳理这些科学家的国籍我们会发现这些伟大的科学家竟无一例外全部来自当时的欧美等资本主义强国即使是算上高斯单位制中的科学家高斯来自德国麦克斯韦来自英国奥斯特来自丹麦也无一例外
德国4个欧姆西门子赫兹韦伯
美国2个亨利特斯拉
法国2个安培库仑
英国1个法拉第
意大利1个伏特
在整个1819世纪西方一直在引领世界的科学技术发展方向尤其是新兴的电磁学领域如果我们再认真考虑到整个名单里各国家人数的比例又能从中看到当时科技中心的转移的趋势从英法到德美
在17世纪及18世纪初英法等国掀起了欧洲启蒙运动率先完成第一次工业革命成为了当时世界上最为先进的资本主义国家而在以电气时代为标志的第二次工业革命中德美等国迎头赶上甚至超过了原来英法老牌科技强国德国美国等新兴资本主义国家开始占据科技的中心英法等老牌帝国开始衰落当然这个衰落也是相对而言的因为此时世界其他地区的多数国家都还处于落后的农业社会时代
10个人的名单中德国和美国占据了多半壁江山6个正是大量优秀科学家的不断涌现才使得德美等国迅速崛起此外科学在一个国家内部也是有传承性的一个国家在产生了伟大的科学家后会更有效和更深远地影响本国人才从而有更多优秀的科学家踏着前辈的足迹继续探索使得薪火相传最后形成这个国家在这个领域大量科学家涌现的盛况
近代社会以来人们通过科学技术生产的发展模式使人类发展进入了快车道当这些伟大的科学家建立了较为完整的电磁学理论科学体系后迅速指导了技术实践电磁学很快在实际生产中得到大量应用19世纪末20世纪初以马可尼波波夫费森登FessendenReginaldAubrey18661932等人为代表的新一代电磁学继承人先后发明了无线电报无线广播等新兴技术产品革命性地改变了人类生产生活方式
随着电磁学的深入探索和研究手机WIFI蓝牙导航雷达微波炉卫星通信射电天文等电磁学新应用新技术新产品不断涌现电磁波已经渗透到我们生产生活中的方方面面我们现在已经离不开它了
回顾历史是为了更好地前行展望未来人类文明向前的脚步不会停歇电磁学的发展也必将会继续推动科技的进步和社会的前进
注释及参考文献
1国际电工委员会IEC成立于1906年是世界上成立最早的国际性电工标准化机构负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作它的宗旨是促进电工电子和相关技术领域有关电工标准化等所有问题上如标准的合格评定的国际合作截止2019年国际电工委员会有正式国家成员86个联络国家成员87个现任国际电工委员会主席为中国工程院院士舒印彪
来源返朴
编辑fengyao
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