国际单位制(SI)中表示电流的基本单位安培(简称“安”,符号A),是为了纪念安德烈.玛丽.安培(André.Marie.Ampère)而命名的。
年国际电学大会将“1秒内从硝酸银溶液中电解出1..02毫克银的恒定电流”定义为1安培,称作“国际安培”。之后更精确地测量发现,国际安培是0.A。
年第9届国际计量大会(CGPM)通过了新定义:真空中,截面积可忽略的两根相距1米的平行而无限长的圆直导线内,通以等量恒定电流,导线间相互作用力在1米长度上为2*10^-7牛时,每根导线中的电流为1安培,又称“绝对安培”(A)。
所以存在着“1国际安培=0.绝对安培”的对应关系,而“国际安培”作为科学发展史上遗留下来的旧单位,已经没有存在的必要性了。
年11月16日,第26届CGPM重新定义了安培:1s内通过导体某一横截面的1/1.×10^19个元电荷移动所产生的电流强度为1安培。
新定义本质上是在用“元电荷”描述库伦,然后用库伦确定安培。安培继续作为SI基本单位,因为更符合习惯,并且能用宏观实验直接测量。
但不论是用“核磁共振成像”技术直接测算元电荷数量,还是用“电解硝酸银溶液实验”定义电流强度,总之是“不必依赖力学设备测量”的基本物理量。
所以“地球单位制”(TESU)中仍将“电流强度单位”(安培)作为基本单位,用恒定电流产生的磁力来重新定义“力度单位”(牛顿)。
力的计量单位牛顿(简称“牛”,符号N)是为了纪念艾萨克.牛顿(Isaac.Newton)而命名的。在SI中,N是一个导出单位,其定义为:使质量1kg的物体产生1m/s^2加速度的力。
人们常通过重力感受N的大小,一个质量g的物体,受到的地球引力约为1N。能直接测量力的设备称“测力计”,如弹簧秤、扭称等。
TESU将“力度单位”牛顿(N)作为基本单位,保持原大小不变。理论上可直接用已经制作好的某个“标准弹簧称”来定义TESU中的N。
但“标准弹簧秤”将会与曾经的“千克原器”一样面临损耗问题,且没办法像“标准米尺”那样通过比对拓印、影像来确定变化程度。
因此必须用某种可重复操作的实验来定义N,以确保“标准弹簧秤”的精准度。万一有偏差,应当以实验测得的数据为准,修正“标准弹簧秤”(与依据普朗克长度修正“标准米尺”同理)。
本人设计了一个简单、直观的“用安培力定义牛顿”的实验,适合在真空、失重、低温的太空环境中进行。
首先要制作精准的“峰值测力计”:刻度标在向外延伸的“标尺”上,在弹簧受到拉力发生形变时,秤钩附带的“笔尖”能将拉力达到的最大值记录在“标尺”上(称“拉力峰值”),可在测力计复位后读取。
还需要固定“长、宽、高”的两条金属片,须由单一金属元素构成,不宜使用合金。“汞”是不错的选择,加工成跟“标准米尺”相同的“长、宽、高”就行了。
两片金属相距1米平行放置,接通等量反向电流并持续1秒,产生的“安培力”使金属片距离增加,拉动“峰值测力计”。
该实验主要是通过改变“电流强度”调整金属片之间的斥力大小,使“峰值测力计”记录的“拉力峰值”恰好等于1N,此时的“电流强度”(设为x)即可用来定义TESU中的N。
具体表述为:在真空、失重状况下,两条平行的“汞标准米尺”相距1米,正中央以“峰值测力计”连接。将两条米尺同时接通电流强度为x,方向相反的电流,得到的“拉力峰值”为1牛顿。
汞是常温下唯一的液态金属,利用这一特性,可在太空中制作“标准米尺”。将液态汞倒入模具后在低温环境下取出,稍做加工即可制成以汞为材料的“标准米尺”。
另外,汞是最早发现的超导材料(卡末林在年发现,当温度下降到4.2K时汞的电阻消失),超导材料具备的“抗磁性”,有利于提高“安培力”测量的精准度。
“峰值测力计”用塑料、橡胶等材料制作,防止干扰电流磁场,影响测量结果。固定“汞标准米尺”的滑槽,也应当用陶瓷或玻璃轨道。
TESU共定义了七个基本单位,其它单位皆由相应公式推导。质量单位“斤”由万有引力公式导出,表述为:两个质量相同的物体,相距1米时的万有引力为1牛顿,那么这两个物体的质量都是1斤。
可仿照“司母戊大方鼎”,做一尊重达1斤(.kg)的巨鼎、图腾之类的,以表示新的质量单位“斤”。在市面上销售按比例缩小的“1丁斤”(2.75kg)或“1戊斤”(0.kg=1两)模型,使人们对新的质量单位建立感情——比如作为陈设和旅游纪念品推广,像美国的自由女神模型、马来西亚的双子塔模型。
因进制问题,时间和角度换算成小数很繁琐,给计算带来诸多不便。比如40°11′15″=40.°
TESU采用十六进制,时间便可以像长度、质量一样用小数表示、计算,上下级单位之间的换算,只移动Li位(小数点)就行了。
同理,可将周角的16分之1定义成“1刻”;1刻的16分之1为“1(新)度”;1(新)度的16分之1为“1(新)分”;1(新)分的16分之1为“1(新)秒”。其中,1(新)度=/度。
TESU中十六进制光速是米/秒。所有包含光速的计算,仅仅是移动Li位(小数点)而已。
某些“自然单位制”将光速规定为1,公式更简洁,但日常应用中会感觉别扭。如“小红、小明相向而行,何时相遇?”之类的问题,即便采用下级单位笔算也不是很方便,人们很难像熟悉质量单位那样体验看不见、摸不着的概念。