欧姆与姆欧:电阻与电导的单位故事

作者: Tensor Spicy

来源: 物含妙理

发布日期: 2023-10-18 12:56:37

本文详细介绍了电阻单位欧姆和电导单位姆欧的历史背景、命名由来及其符号的使用,探讨了科学符号的直观性和记忆性在科学传播中的作用。

学过电学的都知道,电阻的单位是欧姆,符号是Ω,它是希腊字母Omega的大写形式。欧姆当然是一个人,他就是格奥尔格·西蒙·欧姆,一位德国物理学家和数学家。欧姆在研究伏特的化学电池时发现,施加在导体上的电势差(电压)与产生的电流之间存在正比关系,这个关系后来被称为欧姆定律。为了纪念他的这一重要发现,从1867年开始,人们将他的姓氏Ohm作为电阻的单位名称,考虑到发音相近,Ω作为符号当然是最合适不过了。

后来,国际电工会议将横截面积恒定、长为106.3厘米、质量为14.4521克、温度为0°C的水银柱对恒定电流的电阻定义为1个欧姆单位。1990年代,量子霍尔效应被用来定义更高精度和易于复制的欧姆单位。自从2019年重新定义了国际单位制SI中的基本单位之后,欧姆所依赖的安培和千克可根据基本常数重新定义,因此欧姆也被重新定义了。我们知道,电阻的倒数叫电导,那么它的单位是什么呢?

虽然用欧姆表示也可以,SI还是给出了一个专门的单位,它叫Siemens,中文读作西门子,符号为大写的S,1西门子等于1欧姆。它是以德国电气工程师恩斯特·沃纳·冯·西门子的姓氏命名的,于1935年被提出并开始被使用。其实,欧姆不光是电阻的单位,它还是电抗和阻抗的单位。而我们知道,电阻的倒数叫电导,电抗和阻抗的倒数分别叫电纳和导纳,所以西门子不光是电导的单位,它还是电纳和导纳的单位。

那么,姆欧及其符号?是怎么回事呢?1883年,后来的英国皇家学会主席、著名物理学家开尔文爵士建议将mho,即姆欧,作为电导的单位,并且用?来表示。很多很多人可能没见过?,以为是基于Ω用特殊的文字工具转换的,毕竟网上这种工具很多。然而,?并不是这么整出来的,它是原本就存在的!虽然它不属于希腊或者拉丁字母,甚至不属于字母(非洲国家字母表中含有它),但它是国际音标中的一个符号,称作近闭近后圆唇元音。

因为它看起来像一个马蹄形的U,所以也被叫做马蹄U。它在希腊字母里对应υ,名称是upsilon,与拉丁字母u接近。有些有些人写u的时候,喜欢带两个勾勾,其实就受到这一影响。其实,很多语言中都有它的变体,甚至日语中的ひ与它看起来挺像的。顺便说一句,υ与另一个希腊字母ν看起来挺像,后者叫做nu,在物理中使用频繁,例如用来表示光子的频率或者中微子。

但也许为了避免混淆,υ几乎没怎么被使用,除非你以为代表速度的拉丁字母v就是它。至于有人傻傻分不清ν和υ,看下图,第三行第2个和第四行第4个,其实区分很简单:它俩底部一个尖一个圆。再回到开尔文爵士对电导单位的提议上来。既然电导是电阻的倒数,而刚好又存在?和Ω这一对符号,开尔文爵士的想法看起来挺合适的嘛。但后来,这个单位名称和符号被认为不合适。

美国国家标准与技术研究所将mho称为“不可接受的SI单位特殊名称”,并指出应严格避免使用它。实际上,虽然NIST的建议基本被采纳,但在某些电子技术的领域,姆欧作为电导的单位,迄今还在被频繁地使用中。虽然开尔文的提议有点抖机灵的嫌疑,但说实话,姆欧这个名称和符号的确也给人一种直观而深刻的印象。其实,科学符号类似的案例很多。

例如希腊字母Δ代表增量符号,?代表微分符号;而数学中的量词?和?分别是E和A的变过来的;逻辑中普遍使用的“所以”的符号∴与“因为”的符号∵也是一对例子,举不胜举。从这个角度来说,开尔文的提议不失为一个好点子,反正小伙伴们一眼便知,而且易于记忆,这不挺好嘛!反观Siemens的缩写符号S,至少会导致一个问题,它很容易和秒的符号s混淆——虽然存在大小写之分,但谁叫S的大小写看起来一样呢?

实际上,西门子之前是电阻的单位,名称是Siemens mercury,按照后来的ohm换算,它大约等于0.953Ω。这个单位后来被废除了,Siemens最终成为电导的单位。不得不说,SI还是很钟情西门子这个人的。当然,作为一个物理单位名称,尽量体现严谨性,不应掺杂一些个人喜好的因素,避免无关的联想,尤其应避免望文生义——毕竟物理理论更应该是抽象的,而不是形象的。

另一方面,根据物理学家薛定谔的观点,科学是人文学的一部分,人类历史上无数群星闪耀的物理学家,后世的人充分利用各种物理名词或规律的名称,以示对那些杰出物理学家的纪念,科学与人文交相辉映,岂不美哉!也许,这就是NIST提议废弃姆欧这个单位名称的原因吧。

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