欧姆和欧姆定律
欧姆(乔治·西蒙·欧姆,1787 ~ 1854),德国物理学家。他首先发现了欧姆定律,它反映了电流强度、电压和电阻之间的关系。也就是说,通过导体的电流与施加在导体上的电压成正比,与导体的电阻成反比。欧姆定律的发现使电路理论成为一门精确的科学,并为电学研究开辟了一条新的光明之路。欧姆于1787年3月16日出生在巴伐利亚州的何润。欧姆有七个孩子。他是最大的。他的父亲是一个熟练的锁匠。他热爱哲学和数学,希望他的孩子能接受科学教育。在父亲的影响下,欧姆从小就学习数学,还帮助父亲做一些技术工作,如修锁,这为他后来的科学实验奠定了基础。
欧姆在何润大学学习。由于经济困难,他于1806年辍学,去当家庭教师。在省下一些学费后,他于1811年回到何润大学,获得了博士学位。之后,他留在学校,教了三个学期的数学。由于收入低,他不得不去半堡中学教书。1817年,他出版了他的第一本书《几何教科书》,后来被科隆的耶稣会学院聘为数学和物理教师。
欧姆的目标是成为一名大学教授。为此,他必须做出一些重要的研究成果。他开始钻研电流的新领域,并自己制作仪器。1825年,一篇关于电路的论文发表了,但是它的公式是错误的。第二年,他纠正了这个错误,得到了著名的欧姆定律。他在1827年的加尔瓦尼电路数学博览会上向世界公布了这一研究成果。
然而,欧姆的研究结果并没有引起科学界的注意,甚至有人批评他,说一个普通的老师不可能有任何重要的发现,并把他的论文描述为纯粹的空洞的猜想,没有任何观察事实的基础。
欧姆非常失望,在贫困和愤世嫉俗的感觉中度过了整整六年。随着电路研究的进展,人们逐渐认识到欧姆定律的重要性和科学性,欧姆的声誉也大大提高。
1833年,欧姆被任命为纽伦堡技术学校的物理学教授。他于1841年被英国皇家学会授予科普利奖章,并于1842年被接纳为会员。1849年,他的祖国也授予他荣誉,慕尼黑大学任命他为教授。他晚年还写了关于光学的教科书。
1854年7月6日,欧姆在德国的玛拿西去世。
为了纪念欧姆对电学发展的巨大贡献,后世将电阻定义为欧姆。自1800年意大利物理学家伏打发明世界上第一个直流电源伏打电池以来,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,法国物理学家安培等人在电磁学理论研究方面取得了丰硕成果。那时,电磁学的发展已经看到了飞速的发展。许多科学家正在从不同角度探索和研究电磁学。欧姆对电学研究也表现出极大的兴趣。然而,他只是一个普通的高中物理老师,没有材料,没有资金,也没有志同道合的同学来交流经验。然而,欧姆从小就受到父亲的影响。他有很强的动手能力,自己制作了许多实验仪器。
电流是一种难以捉摸的东西。它看不见也摸不着。我们应该从哪里开始研究它?
欧姆注意到电流在导线中流动,就像传热过程一样,它的“能力”不断衰减,表明导线对电流有消耗作用。当时,还没有人对这个问题做过深入的研究。因此,他决定研究导体中流动的电流,看看导体如何“消耗”电流。
为了研究电流,首先必须有一个测试电流的仪器。起初,欧姆利用电流的热效应,通过热胀冷缩来测量电流强度。然而,这种方法很难获得准确的结果。欧姆仔细研究了奥斯特、安培和其他人的科学研究成果。他利用电流的磁效应,创造性地将它们与库仑扭转平衡法结合起来,设计了一种电流强度测试仪。他的设计是这样的:磁针的中点由一根扭绞线(即一根弹性金属线)悬挂,这样磁针就平行地位于带电的电线之上。通电后,电流产生磁场来扭转磁针。由于扭绞线的扭绞力阻碍了磁针的偏转,所以可以从磁针的扭绞角度来检查电流强度的大小。
有了电流测试仪,欧姆又开始考虑导体了。在此之前,欧姆通过粗略的实验已经知道由不同材料制成的导体的电导率(电导率的倒数,也就是我们现在所说的电阻)是不同的。为了精确和定量地测量任何导体的电导率,必须限制导体的厚度和长度。就像比较不同物质的密度一样,我们必须用相同体积的物质来衡量它们的质量。因此,欧姆通过敲击和拉伸他自己来制造不同规格的不同材料的导体。具有相同的直径和长度;具有相同的直径和不同的长度;也有长度相同但直径不同的,等等。
欧姆将这些电线连接到伏打的电气故障上,并用他的电流扭转天平对它们进行测试。在比较了大量的实验数据后,他得出结论,由相同材料制成的电线越长越细,对电流的传导性越差。相反,导体越短越厚,导电性越强。他还发现银在许多金属中具有最好的导电性。
尽管取得了上述成就,欧姆仍然不满意,因为他使用的电源伏打堆的电极容易极化,电流输出非常不稳定。不稳定的电流输出表明电源电压波动(欧姆称为力的波动),这使得他不可能找到确切的规律。
当欧姆非常沮丧的时候,一个朋友向他介绍了萨贝尔发现的热电电池。最初,在1822年,萨贝尔发现将两种不同金属的两端拧在一起,用火点燃其中一个触点,可以产生电流。两个触点之间的温差越大,电流越强。只要温差稳定,产生的电流就会稳定。
听到朋友的介绍后,欧姆非常高兴。他又找到了希望。没有现成的热电电池,但他知道它的原理,并开始自己制作。他发现了两个锡容器,一个装满了开水(100摄氏度),另一个装满了冰水混合物(0摄氏度)。一根秘密金属棒和一根铜棒用铜螺丝固定在一起,一个接头放在沸水中,另一个接头放在冰水混合物中。热电电池就是这样制造的。用电流扭转天平测量欧姆,发现电池的电压相对稳定。
凭借稳定的电源和能够精确测量电流强度的扭力天平,欧姆现在可以展示他的测量天赋。他将八根相同厚度和增加倍数的铜线分别连接到电路上,并仔细记下每次测量得到的电流强度值。他在1826年1月8日、11日和15日进行了5次实验,获得了大量数据,并填写在表格中。我们知道测量中有误差,从一堆数据中找出我们从来不知道的规则并不容易。欧姆面对着桌子上的这组数据,反复思考,反复思考,反复计算,用严谨的态度和科学的方法整理出这些数据。
经过仔细计算,欧姆终于得出了以下结论:
S =是表示电流强度,E表示电压,Y表示电导率(其倒数是电阻)。
这就是著名的欧姆定律。通过导体的电流与施加在导体上的电压成正比,与导体的电阻成反比。表达式是I=U/R,其中I是电流强度,U是电压,R是电阻。
1827年,欧姆发表了他的论文《加登尼电路的数学阐述》,并向外界宣布了他的发现。
欧姆定律的发现为电路研究开辟了一条光明的道路,使电路理论成为一门精确的科学。欧姆为了研究电路的规律而引入的电动势(电压)、电流强度和电导率(电阻)的概念一直沿用至今,并在推动电学研究方面发挥了重要作用。