物理界这样定义常见的温度电流
发布时间:2018-03-09
出品:科普中国
制作:陈星
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  如前两期提到的,目前一共有七个基本国际单位:时间“秒”,长度“米”,质量“千克”,绝对温度“开尔文”,电流“安培”,发光强度“坎德拉”,物质的量“摩尔”。在这我们继续介绍日常生活中常见的温度和电流的基本单位的物理定义。 

温度“开尔文”

  日常生活中我们使用的温度是摄氏温标,单位是摄氏度。它的定义是这样的:在标准大气压下,纯水的凝固点(即固液共存的温度)为0°C,水的沸点为100°C,中间划分为100等份,每等份为1°C。这个定义是在1742年由瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯给出的,为了纪念他,1954年的第十届国际计量大会特别将此温标命名为摄氏温标。现在,摄氏温标已被世界上绝大多数国家所采用。 

   

  安德斯·摄尔修斯 

  另外还有一种比较常见的是华氏温标。华氏温标的定义是这样的:在标准大气压下,冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉,中间有180等分,每等分为华氏1度。从定义不难看出,华氏温标的起点比摄氏温标更低,而且华氏温标的一度要比摄氏温标小。目前世界上只有美国在使用华氏温标,其他绝大多数国家使用的都是摄氏温标(图中绿色的是华氏温标使用范围,灰色的是摄氏温标): 

   

  虽然摄氏温标在日常生活中使用广泛,但是它却不是科学研究中的主角,在科学研究上最常使用的是热力学温标(或者绝对温标、开尔文温标)。 

  热力学温标是由英国物理学家威廉·汤姆森,第一代开尔文男爵于1848年利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入的。它是一个纯理论上的温标,与测温物质的属性无关,因此它在科学研究上的应用更加广泛。 

   

  威廉·汤姆森 

  热力学温标的单位是开尔文,符号是K, 它现有的定义是:1开尔文定义为水的三相点与绝对零度相差的1273.16。绝对温标的定义其实是根据摄氏温标而定的,这也就是为什么它们的0度的起点不同,但是温度差1开尔文=1摄氏度。下面我们来简单说明一下这个定义。 

  如图, 

   

  三相点是指在热力学里,使一种物质三相(气相,液相,固相)达到热力学平衡共存时的一组温度和压强数值。比如,水的固---三相点是0.01℃273.16K)及611.73Pa。在这个温度和压强下,水蒸气,水和冰这三相可以同时存在。这就和在一个标准大气压下,零摄氏度的水和冰能同时存在是一个道理。水的三相点温度是273.16K, 那么它的1/273.16就是1开尔文(K)了。 

  我们日常生活中使用的摄氏度和绝对温度的换算关系是线性的,非常简单: 

  [°C] = [K] - 273.15 

  热力学温标的起点绝对零度(0K,根据热力学第三定律,绝对零度是不可能达到的,我们只能去无限的接近这个温度。因为根据理论上的预言,在这个温度下,物体内部的原子会停止运动,内部的熵会变为零,而这是量子力学所不允许的,因此绝对零度是不可能实现的。 

  现有的绝对温度的单位“开尔文”的定义还是有一定缺陷的,因为它是基于水的性质而定义的,这个定义并不能满足于在低于20 K和高于1300 K处的使用,因此国际计量委员会从2005就开始着手重新定义“开尔文”,目前计划使用波尔兹曼常数,这样的新定义可以使得温度单位的定义不再依赖于任何的物质、测量手段和温度范围。当然,这样的新定义是基于之前定义的,会保持定义的联系性,日常生活中不会觉察到有任何的不同。例如,水还是会在0摄氏度时结冰,生活中的温度计还依然能正常使用。 

    

电流安培

  电流也是我们日常生活中非常常见的东西了。平时,我们听到更多的是电压的单位“伏特”或者电阻的单位“欧姆”,但是它们都不是基本的物理量,它们的定义都是基于电流的单位“安培”的。 

   

  电流 

    

  “安培”的符号是“A”, 它是以法国数学家和物理学家安德烈-马里·安培命名的,为了纪念他在经典电磁学方面的贡献。“1安培的定义是:真空中,截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内,通以等量恒定电流时,若导线间相互作用在每米长度上的力为2×10^–7牛顿,则每根导线中的电流为一安培。 

   

  可以看出,“安培”的定义通过力学单位“牛顿(N和之前说过的质量单位“千克”联系了起来,因此“千克”的定义也会影响到“安培”的定义。下面我们来解释一下这个定义。 

  由于电磁是可以相互转化的,例如发电机就是“磁生电”效应的应用。电动机、马达等就是“电生磁”效应的应用。当然,不管是“磁生电”,还是“电生磁”,这些过程的转变都是需要能量的,不可能无中生有。在“安培”的定义中,两根平行的导线通电后会在自己的周围产生磁场,如果电流方向是相同的,那么它们之间会产生吸引力,反之,就是排斥力。这主要是由电子在磁场中运动所受的洛伦兹力导致的。它们之间相互作用力(吸引或者排斥)的大小和电流的大小有着如下的关系: 

    

   

  电流的大小和单位时间内通过导线横截面积的电荷的数目有关。这也是电流最本质的定义。之前有科学家就建议,直接通过元电荷来定义电流的单位“安培”,这个提议在2014年第25届国际度量衡大会上讨论过,但是没有被采纳。但是目前“安培”的定义存在诸多缺陷,比如说它是基于力的大小而定义的,这限制了它的精度,另外还有定义中所要求的平行的无限长面积可忽略的直导线,这在实际中几乎是不可能实现的。因此未来不久电流单位“安培”必将会被重新定义。 

  相比于之前介绍的几个基本物理量和它们的单位,电流这个物理量显得更加“现代”一些。特别是“磁生电”的现象被发现以后,电流得以大规模的被应用,成为了人类现代社会一个必不可少的支撑。 

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