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电量计算公式(七个电学计量单位是怎么来的?)
安培,电流,法拉第电量计算公式(七个电学计量单位是怎么来的?)
发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
图4:安培定律示意图
国际单位制中安培的定义也先后发生过几次改变。1908年在伦敦举行的国际电学大会上,定义1秒时间间隔内从硝酸银溶液中能电解出1.118毫克银的恒定电流为1安培。1948年,国际计量委员会给出安培的定义为:在真空中,截面积可忽略的两根相距1米的平行且无限长的圆直导线内,通以等量恒定电流,导线间相互作用力在1米长度上为2X10^-7牛时,则每根导线中的电流为1安培。2018年11月16日,第26届国际计量大会通过“修订国际单位制”决议,将1安培定义为“1s内(1/1.602176634)X1019个电荷(电荷的定义及计量见下文)移动所产生的电流强度”。此定义于2019年5月20日世界计量日起正式生效。
1820年,安培首先引入了电流、电流强度等名词,还制造了第一个可测量电流的电流计。此外,安培还提出了分子电流假说,他认为,电和磁的本质是电流。1827年他的《电动力学理论》一书出版,该书被认为是19世纪20年代电磁理论的最高成就。
图5:安培画像
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电量(Q)的单位:库仑(符号C)
库仑(Charlse-Augustin de Coulomb,1736-1806)是法国著名的物理学家,早期研究静电力学的科学家之一。他因发现静电学中的库仑定律而闻名于世。库仑定律指两个电荷间的力与两个电荷量的乘积成正比,与两者的距离平方成反比。该定律也是电学发展史上的第一个定量规律,它使电学的研究从定性进入定量阶段,是电学史中的一块重要的里程碑。
图6:库仑扭称实验示意图
库仑所用的装置如下:一个玻璃圆缸,在上面盖一块中间有小孔的玻璃板。小孔中装一根玻璃管,在玻璃管的上端装有测定扭转角度的测微计,在管内悬一根银丝并伸进玻璃缸内。悬丝下端系住一个小横杆,小横杆的一端为木质小球A,另一端为平衡小球,使横杆始终处在水平状态。玻璃圆筒上刻有360个刻度,悬丝自由松开时,横杆上小木球A指零。
其中k是静电力常量,约为9X109N·m2/C2。这个常量并不是由库仑计算得来的,而是由一百年后的麦克斯韦根据理论推导得出的。这和引力常数的得出过程有着惊人的相似!在牛顿发现万有引力定律F=GMm/r2时,牛顿本人并不知道引力常数G是多少,直到100多年后,才由英国的科学家卡文迪许(Henry Cavendish,1731-1810)通过类似的扭称实验装置计算出来。
图7:卡文迪许测量万有引力示图
而单个电荷量也不是由库仑测得的,但这并不妨碍库仑的伟大。要知道,由于科技水平和物质条件的限制,在遥远的18世纪,库仑就能用这么巧妙的实验装置,放大并显示了这么微小的力,已经难能可贵了。
电量表示物体所带电荷的多少。实际上1库仑(C)的电量是比较大的,因为电荷的电量非常小,一个电子的电量仅为1.60X10-19 C,1C 就相当于6.25X1018个电子带电量。它和我们前面讲过的电流之间的关系是,电量等于电流强度(单位A)与时间(单位s)的乘积,公式表达为Q=I t。因此1C就表示1A电流在1s内输运的电量。1881年的国际电学大会上,电量的单位被定义为库仑。
自然界中基本相互作用已知有四种:万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。强相互作用力、弱相互作用力是一种短程力,其作用距离不超过原子核线度。在微观世界中,万有引力与强相互作用力、弱相互作用力、电磁力相比是可以忽略不记的,比如电子与质子之间的库仑力(电磁力的一种)约是万有引力的1039倍,而强相互作用力比电磁力还要大。因此,在微观领域,起作用的是强相互作用力、弱相互作用力、电磁力。理论认为,强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一成一种相互作用。而万有引力定律和库仑定律在形式上的相似性,是否意味着这两种作用的某种内在的质的统一性?这还是一个谜,有待人们去揭示。
图8:四种相互作用示意图
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电压(U)的单位:伏特(符号V)
图9:伏特电堆原理图
图10:伏特亲手制作的伏特电堆
实验中,他把金属银条和金属锌条浸入强酸溶液中时,发现在两个金属条之间竟然产生了稳定而又强劲的电流。于是,他把浸透盐水的绒布或纸片垫在锌片与银片之间,平叠起来。伏特用这种化学方法成功地制成了世界上第一个伏特电推。伏特电堆实际上就是串联的电池组,也是我们现在所用电池的原型。伏特电池的发明,使得科学家可以用比较大的持续电流来进行各种电学研究。伏特电池是一个重要的起步,它带动了后续电气相关研究的蓬勃发展。
1807年,法国军团征服了意大利,法兰西第一帝国皇帝拿破仑特意在巴黎接见了伏特。为了表彰他对科学所作出的贡献,1810年拿破仑封他为伯爵,并给予了伏特一大笔钱。1827年3月5日,伏特去世,终年八十二岁。为了纪念他,1881年国际电学大会将电动势(电压)单位取名伏特(V)。
图11:伏特画像
图12:伏特为拿破仑演示伏特电堆
电压是推动电荷定向移动形成电流的原因。电流之所以能够在导线中流动,是因为在电流中有着高电势和低电势之间的差别。这种差别就叫电势差,也叫电压。换句话说,在电路中,任意两点之间的电位差称为这两点的电压。
在国际单位制中,1伏特定义为对每1库仑的电荷做了1焦耳的功。具体实践来讲,我们在日常生活中会经常接触电压和伏特(简称伏)这个两个名词,可以说所有电器都离不开电压这个基本的单位量。如7号电池上会注明1.5V,表示可以提供1.5V的电压输出;国内的手机、笔记本的充电器上一般都会有“输入AC100-240V”字样,它表示充电器需要插在100-240V的交流电源上;我们轿车上的电瓶电压一般是12V左右。
图13:从左往右依次:7号电池、笔记本充电器、手机充电器、汽车电瓶
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电阻(R)的单位:欧姆(符号Ω)
欧姆(Georg Simon Ohm,1787-1854),德国的物理学家,因发现欧姆定律而被世人所知。欧姆定律的公式是R=U/I,或U=IR。它表示在一段电路中,电流与电阻的乘积等于电压。欧姆定律以清晰的概念、简明的形式,把握了电路现象的本质和规律;它不仅是直流路计算的基础,也是交流电路及电路微观过程定量关系的客观反映。我们在初中时便都学会了这个简单的基本公式,可在当年人们连电压、电阻这些概念还不是十分清楚的时候,欧姆能够通过实验的方法得出这个定律,是相当的厉害!
欧姆在1813年博士毕业后一直在中学当老师,由于他一直喜欢研究电学和动手制作实验装置,因此他一边教学一边钻研刚刚兴起的电学。当时已经有人开始研究金属电导率,人们发现不同金属、不同长度、不同横截面的金属导体在电路中对电流不同的影响。于是在前人的基础上,欧姆利用库仑在1785年发明扭称实验,伏特1800年发明电池,安培1820年引入电流强度的概念等等,制作了巧妙的测量装置,并经过了大量的了实验、推理、计算,最终于1826年确定了欧姆定律。1881年国际电学大会将电阻的单位定为欧姆(Ω)。
图14:欧姆
图15:欧姆1826年论文中的实验装置图
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