电磁学计量仪器

[color=#000000][size=5][font=黑体]一、电磁学计量单位制的由来和变迁[/font][/size][font=宋体] 早在1832年，高斯在他的著名论文《换算成绝对单位的地磁强度》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。他为此提出了一种以毫米、毫克和秒为基本单位的绝对电磁单位制。高斯的主张得到了W.韦伯的支持，韦伯把高斯的工作推广到其它电学量。然而遗憾的是，电磁量实际上可以由两个互不相容的方程系来描述，因为两个库仑定律都可以当作定义性方程：一个是静电学的库仑定律，一个是静磁学的库仑定律。于是出现了两种“绝对”电磁学单位。19世纪50年代初，英国的W.汤姆生（开尔文）也做了类似的工作。他根据英国力学单位进行了与电信有关的一些电测量。1861年，英国的布赖特（C.Bright）和克拉克（L.Clark）发表《论电量和电阻标准的形成》一文，倡议建立一种统一的实用单位。他们的倡议得到了W.汤姆生的支持。于是这一年英国科学促进会成立了以W.汤姆生为首的六人电标准委员会，其宗旨是统一电阻和电容的标准，建立恰当的实用单位，并确定绝对单位和实用单位的换算关系。这个委员会主张用厘米-克-秒作为基本单位，于是又形成了两种单位制：厘米-克-秒静电单位制（[b]CGSE或esu[/b]）和厘米-克-秒电磁单位制（[b]CGSM或emu[/b]）。[/font][/color][font=宋体][color=#000000]麦克斯韦也是这个委员会的成员。他对单位的规范和统一非常关心，亲自作了许多实验，提出了不少有益的建议。例如，他在1865年写道：“至今采用的命名方法缺点很多。在涉及各个测量时，我们必须说明哪个数是表示静电单位的值还是电磁绝对单位的值。如果运用到乘法，乘得的结果也必须加以命名，而且还必须牵涉到长度、质量和时间的单位标准，因为有些作者用磅而有些用克，有些用米而有些用毫米作基本单位。这样繁琐的命名和由此带来错误的危险应该避免”。[/color][/font][font=宋体][color=#000000]在六人电标准委员会的倡议下，英国科学促进会决定采用如下一些实用单位：电阻用欧姆，1欧姆=109厘米-克-秒电磁单位制的电阻单位；电势用伏特，1伏特=108厘米-克-秒电磁单位制的电势单位。1881年巴黎第一届国际电学家大会批准了这一方案，并决定再增加电流的实用单位：安培，规定1伏特电势差加在1欧姆电阻上产生的电流强度为1安培，它等于1/10厘米-克-秒电磁单位制的电流单位。与此同时，还引入了电量的实用单位——库仑和电容的实用单位——法拉。这些单位沿用至今。[/color][/font][font=宋体][color=#000000]这样就形成了电磁量中的第三套单位制，即实用单位制。本来这套实用单位是附属于厘米-克-秒电磁单位制的，取的仍是“绝对”定义。然而，为了检验的方便，有人主张再为这些实用单位选定一些实物基准。于是在1893年在芝加哥召开的第四届国际电学家大会上为这些实用单位另行规定了实物基准，并且把这些实用单位分别冠以“国际”词头。下面引一段当时的决议：“决议，本届国际电学家大会代表各自政府的委托，正式采用以下单位作为电学计量的法定单位：[/color][/font][font=宋体][color=#000000]“欧姆——以国际欧姆作为电阻单位，它以等于109CGS电磁单位电阻的欧姆作为基础，用恒定电流在融冰温度时通过质量为14.4521克，长度为106.3厘米，横截面恒定的水银柱所受到的电阻来代表。”[/color][/font][font=宋体][color=#000000]“安培——以国际安培作为电流单位，它等于CGS电磁单位的1/10，在实用上取通过硝酸银水溶液在规定条件下以每秒0.001118克的速率使银沉淀的恒定电流来代表已足够精确”。[/color][/font][font=宋体][color=#000000]同时大会还对国际伏特、国际库仑、国际法拉都作了相应的规定。[/color][/font][font=宋体][color=#000000]这样就出现了历史上第一套“国际”单位，这套单位不甚完备，因此提出之初，没有得到普遍承认。[/color][/font][font=宋体][color=#000000]电磁学单位制的变迁经历了一个相当曲折的过程。除了CGSM单位制，CGSE单位制和实用单位制以外，还有高斯单位制。高斯单位制在物理学中运用广泛，至今还常见于文献。 [/color][/font]

环境电磁学是环境物理学中新形成的一个分支学科，它主要研究各种电磁污染的来源及其对人类生活环境的影响。电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。环境电磁学是以电磁学各分支学科为基础发展起来的。它的一个重要研究内容是研究和提高电子仪器和电气设备在强烈电磁波干扰的环境中工作的稳定性和可靠性。1943年成立的国际无线电干扰特别委员会，早就在测定方法、干扰标准和抑制技术等方面开展了研究工作。此后，随着电工、无线电技术的飞跃发展，抗干扰的研究不断取得成果。目前人们从环境科学的角度对这一问题也有了新的认识。环境电磁学的另一重要研究内容是高强度电磁辐射的物理、化学和生物效应，特别是它对人体的作用和危害。由于无线电广播、电视以及微波技术等事业迅速普及，射频设备的功率成倍提高，地面上的电磁辐射大幅度增加，目前已达到可以直接威胁人身健康的程度。通常射频电磁辐射按频率划分为不同的频段。在50年代美国、日本、苏联等国开始研究射频电磁辐射对机体的作用机理、危害程度和防护技术。60年代以来已有十多个国家先后制定了电磁辐射安全卫生标准。近年来就静磁场以及一般电磁场对人体的作用等问题做了进一步的研究。影响人类生活环境的电磁污染源可分天然的和人为的两大类。天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，而且会在广大地区从几千赫到几百兆赫以上的极宽频率范围内产生严重电磁干扰。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等都会产生电磁干扰。天然的电磁污染对短波通信的干扰特别严重。人为的电磁污染主要有：脉冲放电，例如切断大电流电路时产生的火花放电，其瞬时电流变率很大，会产生很强的电磁干扰。它在本质上与雷电相同，只是影响区域较小；工频交变电磁场，例如在大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波形式向外辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰；射频电磁辐射，例如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备的辐射，频率范围宽广，影响区域也较大，能危害近场区的工作人员。目前，射频电磁辐射已经成为电磁污染环境的主要因素。电磁污染传递途径有二：一是通过空间直接辐射；二是借助电磁耦合由线路传导。电磁辐射的防护手段是在电磁场传递的途径中安设电磁屏蔽装置，使有害的电磁场强度降低至容许范围以内。电磁屏蔽装置一般为金属材料制成的封闭壳体。当交变的电磁场传向金属壳体时，一部分被 金属壳体表面所反射，一部分在壳体内部被吸收，这样透过壳体的电磁场强度便大幅度衰减。电磁屏蔽的效果与电磁波频率、壳体厚度和屏蔽材料特性等有关。一般地说，频率越高，壳体越厚，材料导电性能越好，屏蔽效果也就越大。电磁屏蔽可分有源场屏蔽和无源场屏蔽两类。前者是把电磁污染源用良好接地的屏蔽壳体包围起来，以防止它对壳体外部环境的影响；后者则是用屏蔽壳体包围需要保护的区域，以防止外部的电磁污染源对壳体内部环境产生干扰。对于不同的屏蔽对象和要求，应采用不同的电磁屏蔽装置或措施。主要有屏蔽罩、屏蔽室、屏蔽衣、屏蔽头盔和屏蔽眼罩等。屏蔽衣和屏蔽头盔内夹有铜丝网或微波吸收材料。屏蔽眼罩通常为三层结构，中间一层为铜丝网。控制电磁污染，除采用上述电磁屏蔽措施外，还应积极采取其他综合性的防治对策。例如工业合理布局，使电磁污染源远离稠密居民区；改进电气设备，以减少对周围环境的电磁污染；在近场区采用电磁辐射吸收材料或装置；实行遥控和遥测，提高自动化程度，以减少工作人员接触高强度电磁辐射的机会等。

各种物理量是通过描述自然规律的方程以及定义新物理量的方程而彼此相互联系的。为了制定单位制和引入量纲的概念，通常选取一组互相独立的物理量及其单位作为基本物理量和基本单位，然后根据一系列特定的物理公式，选定其中的比例常量 ，确定其他物理量（导出 量）的量纲和单位（导出单位）。导出量的量纲用基本物理量的幂次表示，导出单位用基本单位表示，有些导出单位有专门的名称和符号。由此，各物理量的单位构成一个有机的、有规则可循的整体，这就是物理学单位制。 由于历史的原因，世界各国一直通行有各种不同的单位体制，混乱复杂。不同行业采用的单位也不尽相同，例如：法国曾通用米-吨-秒制，英美曾通用英尺-磅-秒制，技术领域中采用工程单位制，即米-千克力-秒制，而物理学则习惯于厘米-克-秒（CGS）单位制。这对经济交往和科技工作都十分不利。为了便于国际间进行工业技术的交流，1875年在签署米制公约时，规定以米为长度单位，以千克为质量单位，以秒为时间单位。这就是众所周知的米-千克-秒（MKS）单位制。电磁学计量单位和单位制更为混乱，几经变革，走过了一条曲折的道路。