钞票上的电磁学

本文来自微信公众号：现代物理知识杂志（ID：mpihep），作者：王鹏（西南民族大学计算机科学与工程学院），题图来自：pixabay

电磁学是对我们现代生活影响最为直接的一门科学，电磁学是一门起源很早的古老的科学，电磁学的发展从古希腊开始至今，持续了两千多年。无数的科学家为电磁学的发展做出了自己的贡献，因此这些科学家也经常出现在各个国家的钞票上，这使我们在享受现代便捷的生活时，不会忘记他们为人类科学进步所付出的努力。

一、漫长的静电时代

在持续的电流出现之前人类经历了漫长的静电时代，古希腊的第一位哲学家和科学家泰勒斯(Thales, 公元前625-547 )就发现用丝绸摩擦琥珀后可以像磁石一样吸引轻小的物体，这其实就是静电现象，泰勒斯也因此成为了第一位完成静电实验的科学家。由于静电是在摩擦后的琥珀上发现的，所以英语中的电这个词的词根Electron原意是“琥珀”，它起源于希腊语中的“琥珀”（ελεκτρον）。而在中国最早记录静电现象的是在公元三世纪晋朝的张华（232-300），他在《博物志》中记载：“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有吒声。”张华在这描述的就是人在梳头、脱衣服时出现的静电现象，这一现象在干燥季节大家可能都遇到过。

在随后的二千多年漫长的时间里人类对于电的认识都停留在静电领域。在当今最大面额的国际通用货币100美元钞票上就印着一位在静电领域做出过重大贡献的科学家富兰克林（Franklin, 1706-1790）（如图1），富兰克林曾经参与了美国《独立宣言》起草，他最被广为传颂的故事是1752年冒着生命危险在雷雨天将带有导线的风筝放上天，证明了闪电是一种电现象。富兰克林还发现了电荷守恒定律，即在任何孤立系统里，总电量不变。1785年，库仑用实验证明了库仑定律，即：两个带电物体施加于彼此之间的作用力与距离成平方反比。库仑定律使得静电学成为了一门精确的物理学，静电的吸附能力得到了完美的数学描述。

图1 2009年美国发行的100美元钞票上的富兰克林

为静电时代做出贡献的科学家中高斯可能是最为知名的一位，由于高斯在广泛的科学领域都做出了巨大贡献，以至于人们几乎忘记了高斯在电磁学中的贡献。高斯提出了高斯定理，高斯定理也叫电通量定理，高斯定理认为一个闭曲面的电通量，与其内部包含的电荷量有关。1989年德国开始发行的10马克钞票正面采用的就是高斯的肖像、正态分布曲线以及高斯长期生活的德国哥廷根的多座历史建筑构成，这张钞票高斯的肖像雕刻精美，有1989年、1991年、1993年和1999年四个不同发行版本，非常值得收藏。

 图2  1989年德国发行的10马克钞票正面

二、持续电流的产生 

从静电到获得持续的电流人类等待了二千多年，直到意大利物理学家亚力山大·伏打（Volta, 1745-1827）出现。1800年伏打将铜片和锌片浸于食盐水中相互堆叠，并接上导线，制成了第一个电池：伏打电堆。伏打电堆可以提供稳定持续的电流，是电磁学和电化学的研究基础。伏打电池基本原理直到现在还在被使用，而且随着电动汽车的推广，电池技术成为了一项十分重要的战略性技术。

1984年意大利发行的10000里拉的正面就采用了伏打的肖像（如图3），肖像的左侧就是伏打电堆的图片（如图4）。这张钞票背面的建筑就是位于科莫湖边的伏打纪念堂（如图5），这是1927年为了纪念伏打逝世100周年而建立的，纪念堂下方上圆、庄严肃穆，纪念堂正门上方刻着伏打的名字，里面陈列着伏打使用过的一些物品，包括他发明的电池。

 图3 1984年意大利发行的10000里拉正面

图4  意大利10000里拉上的伏打电堆

图5  1984年意大利发行的10000里拉背面

伏打在电磁学发展过程中的贡献是具有里程碑意义的，他使电磁学的研究从静电走向了动电。伏打电池的出现为奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现电磁感应提供了基础，十九世纪大量新元素的发现也得益于电池的出现，伏打的成果使电磁学的发展进入了快车道。

三、电磁学的诞生

很长时间里，人们认为电和磁是没有关系的。伏打的成果使人类脱离了静电的约束，并推动物理学进入电磁学时代。1820年，丹麦科学家奥斯特偶然发现通电的导线能使旁边的磁针发生偏转，而其偏转方向垂直于电流方向。1970年丹麦发行的100克朗钞票（如图6）上就将奥斯特的磁针偏转实验印在了上面（如图7）。这张电流磁效应的实验示意图上甚至标注了直流电源的正负极和一个指针正在偏转的带有精美刻度的罗盘。

图6  1970年丹麦发行的100克朗钞票

图7  100克朗钞票上的磁针实验图

奥斯特的电流磁效应实验使电和磁之间从此紧密的联系在了一起，电学和磁学从此逐步发展成为了一门统一的学科—电磁学。奥斯特的电流磁效应实验可以认为是电磁学诞生的标志。

四、交流电的诞生

奥斯特证明了电流能产生磁场，他是康德哲学观点的拥护者，康德认为电和磁等自然界中不同的力是可以相互转换的。这一结论在1831年被英国物理学家法拉第所发现的电磁感应所证实。法拉第发现的电磁感应定理可以简单描述为：变化的磁场能产生电场。这意味着磁可以逆向生电，由此产生的电流就称为感生电流，只要闭合电路中的磁通量发生变化，电路中就会有感生电流出现。法拉第的发现对推动人类进入电器时代具有重大意义。法拉第出身贫寒，品德高尚，在英国人民心中具有崇高的地位，因此1991年英格兰银行发行的20英镑钞票就采用了法拉第的肖像（如图8）。

图8  1991年英格兰银行发行的20英镑钞票

这张20英镑背面右侧为法拉第的肖像，左侧为法拉第在他创立的圣诞科普演讲上做科普报告的场景（如图9），法拉第创立的圣诞科普演讲一直延续到了现在，因此他也被认为是现代公众科普活动的先驱。在讲台前放着的设备正是法拉第利用电磁感应原理发明的圆盘发电机，这种发电机利用圆盘转动切割马蹄形磁铁的磁力线，从而获得持续的电流，这是一种直流发电机。讲台上也还放着法拉第发明的磁场的磁力线图，因此这张钞票上法拉第可能正在向观众讲解电磁感应的知识。

图9  法拉第在圣诞演讲上做科普报告

法拉第利发明的圆盘发电机是一种较为简陋发电机，由于交流电更适合长途输送，我们现在广泛使用的交流发电机则是由塞尔维亚发明家特斯拉（Tesla, 1856－1943）发明的。特斯拉是塞尔维亚人的骄傲，也是出现在钞票上次数最多的科学家，先后出现在了十多种不同面额的钞票上（如图10），能集齐特斯拉钞票也是非常有趣的，而且价格都不太高，适合入门。

图10  钞票上的特斯拉肖像

例如2013年塞尔维亚发行的100第纳尔（如图11）正面肖像就是特斯拉。钞票的背面（如图12）也有一张特斯拉的坐像，由于特斯拉被认为是交流发电机之父，在这张钞票背面正中是特斯拉发明的电磁感应交流发电机的草图。这种发电机以中心磁铁作为转子，转子转动产生旋转变化的磁场，从而在定子线圈中产生感生电流（如图13）。钞票的对印防伪也采用了发电机线圈的图案（如图14）。在这张钞票上处处都在展示特斯拉在电磁学领域所做出的贡献，甚至将磁通量密度的公式赫然印在了钞票正面的中间，而磁通量密度的单位正是以特斯拉名字来命名的。

图11  2013年塞尔维亚发行的100第纳尔钞票正面

图12  2013年塞尔维亚发行的100第纳尔钞票背面

图13  特斯拉发明的电磁感应交流发电机

图14  发电机线圈示意图作为防伪对印图案

从南斯拉夫社会主义联邦共和国到南斯拉夫联盟共和国再到塞尔维亚发行的钞票上，特斯拉都是被选用最多的人物主题。1993年南联盟发行的5000000第纳尔钞票其正面是特斯拉老年时的肖像（如图15），而背面图案为特斯拉线圈放电时的情形和尼亚加拉水电站（如图16）。尼亚加拉水电站是由特斯拉设计的，1896年建成，是世界上第一座水力发电站。这座水电站生产的电通过交流输电送到35公里之外的纽约州水牛城作为其主要供电来源。特斯拉在交流发电上的成就使人类社会加速进入到了电器化时代。

图15  1993年南联盟发行的5000000第纳尔钞票正面

图16  1993年南联盟发行的5000000第纳尔钞票背面

五、电磁波与无线电通讯

英国物理学家麦克斯韦从数学上建立了完备的经典电磁学的理论基础，并预言了电磁波的存在。赫兹在1887年证明了这一预言，无线电通信时代就此开启了。取得“无线电通讯之父”称号的科学家是意大利人马可尼（Marconi, 1874－1937），1901年马可尼实现了跨大西洋无线电通信的创举，马可尼也因为自己在无线电通讯上的成就获得了1909年的诺贝尔奖。

意大利在1990年发行的2000里拉上采用了马可尼作为人物主题（如图17）。这张钞票的背面图案包括无线电发射塔、无线电报收发机、以及一艘名为“Elettra”的游艇，在这艘游艇上，马可尼曾进行过多次无线电通信实验（如图18）。整个背面的底纹采用了象征电磁波的条纹作为防伪线条。

图17  1990年意大利发行的2000里拉正面

图18  1990年意大利发行的2000里拉背面

六、结语

电磁学的发展前后经历了二千多年，而其高速发展只是近三百余年的时间，伏打使电磁学摆脱了静电的约束后，电磁学进入了近代电磁学阶段。电磁学、量子力学和相对论构成了现代物理学的三大理论支柱，塑造了我们当今现代化的生活，其中电磁学是这三大理论支柱中最为古老的学科。我们需要感谢那些为此做出了贡献的科学家，这些科学家被作为不同国家钞票的主题，正是在向他们致以最崇高的敬意，表达这些国家和人民对待科学的态度。我们现在已置身于无处不在的电磁波中，随着这些精美钞票的流通，他们的精神也会变的无处不在。

本文来自微信公众号：现代物理知识杂志（ID：mpihep），作者：王鹏