[科普中國]-物理界這樣定義常見的溫度電流

如前兩期提到的，目前一共有七個基本國際單位：時間“秒”，長度“米”，質(zhì)量“千克”，絕對溫度“開爾文”，電流“安培”，發(fā)光強(qiáng)度“坎德拉”，物質(zhì)的量“摩爾”。在這我們繼續(xù)介紹日常生活中常見的溫度和電流的基本單位的物理定義。

溫度“開爾文” **日常生活中我們使用的溫度是攝氏溫標(biāo)，單位是攝氏度。**它的定義是這樣的：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的凝固點（即固液共存的溫度）為0°C，水的沸點為100°C，中間劃分為100等份，每等份為1°C。這個定義是在1742年由瑞典天文學(xué)家安德斯·攝爾修斯給出的，為了紀(jì)念他，1954年的第十屆國際計量大會特別將此溫標(biāo)命名為“攝氏溫標(biāo)”?，F(xiàn)在，攝氏溫標(biāo)已被世界上絕大多數(shù)國家所采用。

安德斯·攝爾修斯

**另外還有一種比較常見的是華氏溫標(biāo)。**華氏溫標(biāo)的定義是這樣的：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點為32℉，水的沸點為212℉，中間有180等分，每等分為華氏1度。從定義不難看出，華氏溫標(biāo)的起點比攝氏溫標(biāo)更低，而且華氏溫標(biāo)的一度要比攝氏溫標(biāo)小。目前世界上只有美國在使用華氏溫標(biāo)，其他絕大多數(shù)國家使用的都是攝氏溫標(biāo)（圖中綠色的是華氏溫標(biāo)使用范圍，灰色的是攝氏溫標(biāo)）：

雖然攝氏溫標(biāo)在日常生活中使用廣泛，但是它卻不是科學(xué)研究中的主角，在科學(xué)研究上最常使用的是熱力學(xué)溫標(biāo)（或者絕對溫標(biāo)、開爾文溫標(biāo)）。

熱力學(xué)溫標(biāo)是由英國物理學(xué)家威廉·湯姆森，第一代開爾文男爵于1848年利用熱力學(xué)第二定律的推論卡諾定理引入的。它是一個純理論上的溫標(biāo)，與測溫物質(zhì)的屬性無關(guān)，因此它在科學(xué)研究上的應(yīng)用更加廣泛。

威廉·湯姆森

熱力學(xué)溫標(biāo)的單位是開爾文，符號是K, 它現(xiàn)有的定義是：1開爾文定義為水的三相點與絕對零度相差的1?273.16。絕對溫標(biāo)的定義其實是根據(jù)攝氏溫標(biāo)而定的，這也就是為什么它們的0度的起點不同，但是溫度差1開爾文=1攝氏度。下面我們來簡單說明一下這個定義。

如圖，

三相點是指在熱力學(xué)里，使一種物質(zhì)三相（氣相，液相，固相）達(dá)到熱力學(xué)平衡共存時的一組溫度和壓強(qiáng)數(shù)值。比如，水的固-液-氣-三相點是0.01℃（273.16K）及611.73Pa。在這個溫度和壓強(qiáng)下，水蒸氣，水和冰這三相可以同時存在。這就和在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，零攝氏度的水和冰能同時存在是一個道理。水的三相點溫度是273.16K, 那么它的1/273.16就是1開爾文（K）了。

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臄z氏度和絕對溫度的換算關(guān)系是線性的，非常簡單：

[°C] = [K] - 273.15

熱力學(xué)溫標(biāo)的起點絕對零度（0K）,根據(jù)熱力學(xué)第三定律，絕對零度是不可能達(dá)到的，我們只能去無限的接近這個溫度。因為根據(jù)理論上的預(yù)言，在這個溫度下，物體內(nèi)部的原子會停止運動，內(nèi)部的熵會變?yōu)榱?，而這是量子力學(xué)所不允許的，因此絕對零度是不可能實現(xiàn)的。

現(xiàn)有的絕對溫度的單位“開爾文”的定義還是有一定缺陷的，因為它是基于水的性質(zhì)而定義的，這個定義并不能滿足于在低于20 K和高于1300 K處的使用，因此國際計量委員會從2005就開始著手重新定義“開爾文”，目前計劃使用波爾茲曼常數(shù)，這樣的新定義可以使得溫度單位的定義不再依賴于任何的物質(zhì)、測量手段和溫度范圍。當(dāng)然，這樣的新定義是基于之前定義的，會保持定義的聯(lián)系性，日常生活中不會覺察到有任何的不同。例如，水還是會在0攝氏度時結(jié)冰，生活中的溫度計還依然能正常使用。

電流“安培” 電流也是我們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅３Ｒ姷臇|西了。平時，我們聽到更多的是電壓的單位“伏特”或者電阻的單位“歐姆”，但是它們都不是基本的物理量，它們的定義都是基于電流的單位“安培”的。

電流

“安培”的符號是“A”, 它是以法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家安德烈-馬里·安培命名的，為了紀(jì)念他在經(jīng)典電磁學(xué)方面的貢獻(xiàn)?！?安培”的定義是：真空中，截面積可忽略的兩根相距1米的無限長平行圓直導(dǎo)線內(nèi)，通以等量恒定電流時，若導(dǎo)線間相互作用在每米長度上的力為2×10^–7牛頓，則每根導(dǎo)線中的電流為一安培。

可以看出，“安培”的定義通過力學(xué)單位“牛頓（N）”和之前說過的質(zhì)量單位“千克”聯(lián)系了起來，因此“千克”的定義也會影響到“安培”的定義。下面我們來解釋一下這個定義。

由于電磁是可以相互轉(zhuǎn)化的，例如發(fā)電機(jī)就是“磁生電”效應(yīng)的應(yīng)用。電動機(jī)、馬達(dá)等就是“電生磁”效應(yīng)的應(yīng)用。當(dāng)然，不管是“磁生電”，還是“電生磁”，這些過程的轉(zhuǎn)變都是需要能量的，不可能無中生有。在“安培”的定義中，兩根平行的導(dǎo)線通電后會在自己的周圍產(chǎn)生磁場，如果電流方向是相同的，那么它們之間會產(chǎn)生吸引力，反之，就是排斥力。這主要是由電子在磁場中運動所受的洛倫茲力導(dǎo)致的。它們之間相互作用力（吸引或者排斥）的大小和電流的大小有著如下的關(guān)系：

電流的大小和單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面積的電荷的數(shù)目有關(guān)。這也是電流最本質(zhì)的定義。之前有科學(xué)家就建議，直接通過元電荷來定義電流的單位“安培”，這個提議在2014年第25屆國際度量衡大會上討論過，但是沒有被采納。但是目前“安培”的定義存在諸多缺陷，比如說它是基于力的大小而定義的，這限制了它的精度，另外還有定義中所要求的平行的無限長面積可忽略的直導(dǎo)線，這在實際中幾乎是不可能實現(xiàn)的。因此未來不久電流單位“安培”必將會被重新定義。

相比于之前介紹的幾個基本物理量和它們的單位，電流這個物理量顯得更加“現(xiàn)代”一些。特別是“磁生電”的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，電流得以大規(guī)模的被應(yīng)用，成為了人類現(xiàn)代社會一個必不可少的支撐。