你們知道鈔票上的電磁學(xué)嗎

王鵬 西南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院

電磁學(xué)是對(duì)我們現(xiàn)代生活影響最為直接的一門(mén)科學(xué)，電磁學(xué)是一門(mén)起源很早的古老的科學(xué)，電磁學(xué)的發(fā)展從古希臘開(kāi)始至今，持續(xù)了兩千多年。無(wú)數(shù)的科學(xué)家為電磁學(xué)的發(fā)展做出了自己的貢獻(xiàn)，因此這些科學(xué)家也經(jīng)常出現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家的鈔票上，這使我們?cè)谙硎墁F(xiàn)代便捷的生活時(shí)，不會(huì)忘記他們?yōu)槿祟?lèi)科學(xué)進(jìn)步所付出的努力。

01漫長(zhǎng)的靜電時(shí)代

在持續(xù)的電流出現(xiàn)之前人類(lèi)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的靜電時(shí)代，古希臘的第一位哲學(xué)家和科學(xué)家泰勒斯（Thales， 公元前625-547 ）就發(fā)現(xiàn)用絲綢摩擦琥珀后可以像磁石一樣吸引輕小的物體，這其實(shí)就是靜電現(xiàn)象，泰勒斯也因此成為了第一位完成靜電實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家。

由于靜電是在摩擦后的琥珀上發(fā)現(xiàn)的，所以英語(yǔ)中的電這個(gè)詞的詞根Electron原意是“琥珀”，它起源于希臘語(yǔ)中的“琥珀”（ελεκτρον）。 而在中國(guó)最早記錄靜電現(xiàn)象的是在公元三世紀(jì)晉朝的張華（232-300）。

他在《博物志》中記載：“今人梳頭，解著衣，有隨梳解結(jié)，有光者，亦有吒聲?！睆埲A在這描述的就是人在梳頭、脫衣服時(shí)出現(xiàn)的靜電現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在干燥季節(jié)大家可能都遇到過(guò)。

在隨后的二千多年漫長(zhǎng)的時(shí)間里人類(lèi)對(duì)于電的認(rèn)識(shí)都停留在靜電領(lǐng)域。在當(dāng)今最大面額的國(guó)際通用貨幣100美元鈔票上就印著一位在靜電領(lǐng)域做出過(guò)重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家富蘭克林（Franklin， 1706-1790）（如圖1）。

富蘭克林曾經(jīng)參與了美國(guó)《獨(dú)立宣言》起草，他最被廣為傳頌的故事是1752年冒著生命危險(xiǎn)在雷雨天將帶有導(dǎo)線(xiàn)的風(fēng)箏放上天，證明了閃電是一種電現(xiàn)象。富蘭克林還發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律，即在任何孤立系統(tǒng)里，總電量不變。

1785年，庫(kù)侖用實(shí)驗(yàn)證明了庫(kù)侖定律，即：兩個(gè)帶電物體施加于彼此之間的作用力與距離成平方反比。庫(kù)侖定律使得靜電學(xué)成為了一門(mén)精確的物理學(xué)，靜電的吸附能力得到了完美的數(shù)學(xué)描述。

圖1 2009年美國(guó)發(fā)行的100美元鈔票上的富蘭克林

為靜電時(shí)代做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家中高斯可能是最為知名的一位，由于高斯在廣泛的科學(xué)領(lǐng)域都做出了巨大貢獻(xiàn)，以至于人們幾乎忘記了高斯在電磁學(xué)中的貢獻(xiàn)。高斯提出了高斯定理，高斯定理也叫電通量定理，高斯定理認(rèn)為一個(gè)閉曲面的電通量，與其內(nèi)部包含的電荷量有關(guān)。

1989年德國(guó)開(kāi)始發(fā)行的10馬克鈔票正面采用的就是高斯的肖像、正態(tài)分布曲線(xiàn)以及高斯長(zhǎng)期生活的德國(guó)哥廷根的多座歷史建筑構(gòu)成，這張鈔票高斯的肖像雕刻精美，有1989年、1991年、1993年和1999年四個(gè)不同發(fā)行版本，非常值得收藏。

圖2 1989年德國(guó)發(fā)行的10馬克鈔票正面

02 持續(xù)電流的產(chǎn)生

從靜電到獲得持續(xù)的電流人類(lèi)等待了二千多年，直到意大利物理學(xué)家亞力山大·伏打（Volta， 1745-1827）出現(xiàn)。1800年伏打?qū)~片和鋅片浸于食鹽水中相互堆疊，并接上導(dǎo)線(xiàn)，制成了第一個(gè)電池：伏打電堆。

伏打電堆可以提供穩(wěn)定持續(xù)的電流，是電磁學(xué)和電化學(xué)的研究基礎(chǔ)。伏打電池基本原理直到現(xiàn)在還在被使用，而且隨著電動(dòng)汽車(chē)的推廣電池技術(shù)成為了一項(xiàng)十分重要的戰(zhàn)略性技術(shù)。

1984年意大利發(fā)行的10000里拉的正面就采用了伏打的肖像（如圖3），肖像的左側(cè)就是伏打電堆的圖片（如圖4）。這張鈔票背面的建筑就是位于科莫湖邊的伏打紀(jì)念堂（如圖5），這是1927年為了紀(jì)念伏打逝世100周年而建立的，紀(jì)念堂下方上圓、莊嚴(yán)肅穆，紀(jì)念堂正門(mén)上方刻著伏打的名字，里面陳列著伏打使用過(guò)的一些物品，包括他發(fā)明的電池。

圖3 1984年意大利發(fā)行的10000里拉正面

圖4 意大利10000里拉上的伏打電堆

圖5 1984年意大利發(fā)行的10000里拉背面

伏打在電磁學(xué)發(fā)展過(guò)程中的貢獻(xiàn)是具有里程碑意義的，他使電磁學(xué)的研究從靜電走向了動(dòng)電。伏打電池的出現(xiàn)為奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)提供了基礎(chǔ)，十九世紀(jì)大量新元素的發(fā)現(xiàn)也得益于電池的出現(xiàn)，伏打的成果使電磁學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了快車(chē)道。

03電磁學(xué)的誕生

很長(zhǎng)時(shí)間里，人們認(rèn)為電和磁是沒(méi)有關(guān)系的。伏打的成果使人類(lèi)脫離了靜電的約束，并推動(dòng)物理學(xué)進(jìn)入電磁學(xué)時(shí)代。1820年，丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特偶然發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線(xiàn)能使旁邊的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而其偏轉(zhuǎn)方向垂直于電流方向。1970年丹麥發(fā)行的100克朗鈔票（如圖6）上就將奧斯特的磁針偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)印在了上面（如圖7）。這張電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)示意圖上甚至標(biāo)注了直流電源的正負(fù)極和一個(gè)指針正在偏轉(zhuǎn)的帶有精美刻度的羅盤(pán)。

圖6 1970年丹麥發(fā)行的100克朗鈔票

圖7 100克朗鈔票上的磁針實(shí)驗(yàn)圖

奧斯特的電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)使電和磁之間從此緊密的聯(lián)系在了一起，電學(xué)和磁學(xué)從此逐步發(fā)展成為了一門(mén)統(tǒng)一的學(xué)科—電磁學(xué)。奧斯特的電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為是電磁學(xué)誕生的標(biāo)志。

04交流電的誕生

奧斯特證明了電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，他是康德哲學(xué)觀點(diǎn)的擁護(hù)者，康德認(rèn)為電和磁等自然界中不同的力是可以相互轉(zhuǎn)換的。這一結(jié)論在1831年被英國(guó)物理學(xué)家法拉第所發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)所證實(shí)。法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定理可以簡(jiǎn)單描述為：變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)。

這意味著磁可以逆向生電，由此產(chǎn)生的電流就稱(chēng)為感生電流，只要閉合電路中的磁通量發(fā)生變化，電路中就會(huì)有感生電流出現(xiàn)。法拉第的發(fā)現(xiàn)對(duì)推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)入電器時(shí)代具有重大意義。法拉第出身貧寒，品德高尚，在英國(guó)人民心中具有崇高的地位，因此1991年英格蘭銀行發(fā)行的20英鎊鈔票就采用了法拉第的肖像（如圖8）。

圖8 1991年英格蘭銀行發(fā)行的20英鎊鈔票

這張20英鎊背面右側(cè)為法拉第的肖像，左側(cè)為法拉第在他創(chuàng)立的圣誕科普演講上做科普?qǐng)?bào)告的場(chǎng)景（如圖9），法拉第創(chuàng)立的圣誕科普演講一直延續(xù)到了現(xiàn)在，因此他也被認(rèn)為是現(xiàn)代公眾科普活動(dòng)的先驅(qū)。

在講臺(tái)前放著的設(shè)備正是法拉第利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明的圓盤(pán)發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)利用圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)切割馬蹄形磁鐵的磁力線(xiàn)，從而獲得持續(xù)的電流，這是一種直流發(fā)電機(jī)。講臺(tái)上也還放著法拉第發(fā)明的磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)圖，因此這張鈔票上法拉第可能正在向觀眾講解電磁感應(yīng)的知識(shí)。

圖9 法拉第在圣誕演講上做科普?qǐng)?bào)告

法拉第利發(fā)明的圓盤(pán)發(fā)電機(jī)是一種較為簡(jiǎn)陋發(fā)電機(jī)，由于交流電更適合長(zhǎng)途輸送，我們現(xiàn)在廣泛使用的交流發(fā)電機(jī)則是由塞爾維亞發(fā)明家特斯拉（Tesla， 1856－1943）發(fā)明的。特斯拉是塞爾維亞人的驕傲，也是出現(xiàn)在鈔票上次數(shù)最多的科學(xué)家，先后出現(xiàn)在了十多種不同面額的鈔票上（如圖10），能集齊特斯拉鈔票也是非常有趣的，而且價(jià)格都不太高，適合入門(mén)。

圖10 鈔票上的特斯拉肖像

例如2013年塞爾維亞發(fā)行的100第納爾（如圖11）正面肖像就是特斯拉。鈔票的背面（如圖12）也有一張?zhí)厮估淖瘢捎谔厮估徽J(rèn)為是交流發(fā)電機(jī)之父，在這張鈔票背面正中是特斯拉發(fā)明的電磁感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)的草圖。

這種發(fā)電機(jī)以中心磁鐵作為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化的磁場(chǎng)，從而在定子線(xiàn)圈中產(chǎn)生感生電流（如圖13）。鈔票的對(duì)印防偽也采用了發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈的圖案（如圖14）。在這張鈔票上處處都在展示特斯拉在電磁學(xué)領(lǐng)域所做出的貢獻(xiàn)，甚至將磁通量密度的公式赫然印在了鈔票正面的中間，而磁通量密度的單位正是以特斯拉名字來(lái)命名的。

圖11 2013年塞爾維亞發(fā)行的100第納爾鈔票正面

圖12 2013年塞爾維亞發(fā)行的100第納爾鈔票背面

圖13 特斯拉發(fā)明的電磁感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)

從南斯拉夫社會(huì)主義聯(lián)邦共和國(guó)到南斯拉夫聯(lián)盟共和國(guó)再到塞爾維亞發(fā)行的鈔票上，特斯拉都是被選用最多的人物主題。1993年南聯(lián)盟發(fā)行的5000000第納爾鈔票其正面是特斯拉老年時(shí)的肖像（如圖15），而背面圖案為特斯拉線(xiàn)圈放電時(shí)的情形和尼亞加拉水電站（如圖16）。

尼亞加拉水電站是由特斯拉設(shè)計(jì)的，1896年建成，是世界上第一座水力發(fā)電站。這座水電站生產(chǎn)的電通過(guò)交流輸電送到35公里之外的紐約州水牛城作為其主要供電來(lái)源。特斯拉在交流發(fā)電上的成就使人類(lèi)社會(huì)加速進(jìn)入到了電器化時(shí)代。

圖15 1993年南聯(lián)盟發(fā)行的5000000第納爾鈔票正面

圖16 1993年南聯(lián)盟發(fā)行的5000000第納爾鈔票背面

05電磁波與無(wú)線(xiàn)電通訊

英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋從數(shù)學(xué)上建立了完備的經(jīng)典電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)，并預(yù)言了電磁波的存在。赫茲在1887年證明了這一預(yù)言，無(wú)線(xiàn)電通信時(shí)代就此開(kāi)啟了。取得“無(wú)線(xiàn)電通訊之父”稱(chēng)號(hào)的科學(xué)家是意大利人馬可尼（Marconi， 1874－1937），1901年馬可尼實(shí)現(xiàn)了跨大西洋無(wú)線(xiàn)電通信的創(chuàng)舉，馬可尼也因?yàn)樽约涸跓o(wú)線(xiàn)電通訊上的成就獲得了1909年的諾貝爾獎(jiǎng)。

意大利在1990年發(fā)行的2000里拉上采用了馬可尼作為人物主題（如圖17）。這張鈔票的背面圖案包括無(wú)線(xiàn)電發(fā)射塔、無(wú)線(xiàn)電報(bào)收發(fā)機(jī)、以及一艘名為“Elettra”的游艇，在這艘游艇上，馬可尼曾進(jìn)行過(guò)多次無(wú)線(xiàn)電通信實(shí)驗(yàn)。（如圖18）。整個(gè)背面的底紋采用了象征電磁波的條紋作為防偽線(xiàn)條。

圖17 1990年意大利發(fā)行的2000里拉正面

圖18 1990年意大利發(fā)行的2000里拉背面

06結(jié)語(yǔ)

電磁學(xué)的發(fā)展前后經(jīng)歷了二千多年，而其高速發(fā)展只是近三百余年的時(shí)間，伏打使電磁學(xué)擺脫了靜電的約束后，電磁學(xué)進(jìn)入了近代電磁學(xué)階段。電磁學(xué)、量子力學(xué)和相對(duì)論構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的三大理論支柱，塑造了我們當(dāng)今現(xiàn)代化的生活，其中電磁學(xué)是這三大理論支柱中最為古老的學(xué)科。

我們需要感謝那些為此做出了貢獻(xiàn)的科學(xué)家，這些科學(xué)家被作為不同國(guó)家鈔票的主題，正是在向他們致以最崇高的敬意，表達(dá)這些國(guó)家和人民對(duì)待科學(xué)的態(tài)度。我們現(xiàn)在已置身于無(wú)處不在的電磁波中，隨著這些精美鈔票的流通，他們的精神也會(huì)變的無(wú)處不在。

編輯：jq