欧姆和欧姆定律

发布时间:2014-11-17    编辑:物理学法小组    来源:网络&投稿

欧姆(Georg Simon Ohm,1787~1854),德国物理学家。他首先发现了反映电流强度、电压、电阻三者关系的欧姆定律,即通过导体的电流与加在导体两端的电压成正比,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,也为电学的研究开拓了一条新的光明大道。欧姆1787年3月16日出生于德国巴伐利亚州的埃尔兰根。欧姆家有7个孩子,他是老大,他的父亲是一位技术精湛的锁匠,爱好哲学和数学,满心希望自己的孩子能受到科学教育。欧姆就在父亲的影响下,从小学习数学,同时也帮助父亲做点修锁之类的技术活,这些都为他后来搞科学实验打下了基础。

欧姆曾在埃尔兰根大学求学,由于经济困难,于1806年中途辍学,去外地当家庭教师。当他攒了一些学费后,又于1811年重返埃尔兰根大学并取得博士学位。之后留校任教,教了三个学期的数学,因收入不多,不得不去班堡中等学校教书。1817年他出版了第一本著作《几何教科书》,随后被科隆的耶稣会学院聘为数学、物理教师。

欧姆的奋斗目标是当大学教授。为此,他必须做出一些重要的研究成果,他开始钻研电流新领域,并自己动手制作仪器。1825年发表了一篇有关电路的论文,但其中的公式是错误的。第二年他又改正了这个错误,得出了著名的欧姆定律,并在1827年发表的《伽伐尼电路的数学论述》中向世人公布了这一研究成果。

但是,欧姆的研究成果并没有引起科学界的重视,甚至有些人还对他进行抨击,认为一名普通的教师不可能有什么重要发现,把他的论文说成是纯属空洞的臆造,毫无观测事实的根据。

欧姆非常失望,在贫困和愤世不公的感慨中过了整整6年。随着研究电路工作的进展,人们逐渐认识到欧姆定律的重要性和科学性,欧姆本人的声誉也大大提高。

1833年,欧姆被聘为纽伦堡工艺学校物理教授。1841年英国皇家学会授与他科普利奖章,并于1842年吸收他为会员。1849年他自己的祖国也给予了他荣誉,慕尼黑大学聘任他为教授。他在晚年还写了光学方面的教科书。

1854年7月6日,欧姆在德国曼纳希逝世。

为了纪念欧姆为电学发展做出的重大贡献,后人将电阻的单位规定为"欧姆"。自从意大利物理学家伏打于1800年发明了世界上第一个直流电源--伏打电堆后,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对电磁学的理论研究又取得了丰硕的成果。一时间,电磁学的发展出现了突飞猛进的局面,众多的科学家从各个角度对电磁学进行着探索和研究。欧姆也对电学研究产生了浓厚的兴趣。然而他只是一名普通的中学物理教师,没有资料,没有资金,也没有志同道合的同行交流经验。不过,欧姆从小受父亲的影响,耳德目染,他有很强的动手能力,自己制作了许多实验仪器。

电流是个令人捉摸不透的东西,看不见,摸不着,从什么地方下手来研究它呢?

欧姆注意到,电流在电线里流动的过程,就像热的传递过程一样,它的"能力"在不断地衰减,说明电线对电流有一种消耗作用。当时还没有人对这一问题做过深入的研究。于是,他决定研究电流在导体中流动的有关问题,看看导体对电流是怎样"消耗"的。

要研究电流,首先必须有检验电流的仪器。开始,欧姆利用电流的热效应,用热胀冷缩的方法来测量电流强度。但这种方法很难取得精确的结果。欧姆认真研究了奥斯特、安培等人的科研成果,利用电流的磁效应,创造性地将它们与库仑扭秤法结合起来,设计了一种检验电流强度的仪器。他的设计是这样的:将一根磁针的中点用一段扭丝(即有弹性的金属丝)悬挂起来,使磁针平行地位于通电导线的上方,通电后,电流产生磁场使磁针扭转,由于扭丝的扭力阻碍磁针的偏转,那么,从磁针扭转的角度就能检验出电流强度的大小。

有了电流检验器,欧姆又开始思考导体的问题。在这之前,欧姆经过粗略地实验,已知道不同材料制成的导体的导电率(导电率的倒数即我们现在所说的电阻)是不同的。要想准确、定量地测量出哪种导体的导电率,就必须对导体的粗细、长短等加以限制。就像要比较不同物质的密度,就必须取相同体积的物质来称量它们的质量一样。于是,欧姆自己动手,用敲打、拉伸等办法,制成了各种规格的不同材料的导体。有相同直径相同长度的;有相同直径不同长度的;还有相同长度不相同直径的等等。

欧姆把这些导线分别接在伏打电难上,再用他的电流扭秤来检验。通过对大量的实验数据的比较,他总结出:用同种材料制成的导线,导线越长、越细,对电流的传导率越差;相反,导线越短、越粗,导电能力就越强。他还发现,银的导电率在诸多金属中最好。

尽管取得了以上成果,欧姆仍然不满意,因为他所用的电源--伏打电堆的电极很容易极化,而且电流的输出很不稳定。电流输出不稳定,说明电源的电压有波动(欧姆称为力的波动),这使得他无法找出精确的规律。

正在欧姆十分苦闷的时候,一位朋友向他介绍了塞贝尔发现的温差电池。原来,1822年塞贝尔发现,把两根不同的金属的两端分别扭接起来,用火来烧其中的一个接点能产生电流,而且两接点的温差越大,电流越强,只要温差稳定,发出的电流就稳定。

欧姆听完朋友的介绍后非常高兴,他又找到了希望。没有现成的温差电池,但是清楚了它的原理,他便自己动手开始制作。他找了两个锡制的容器,一个盛满沸水(100C),另一个盛冰水混合物(OC)。将一根秘金属条与铜条用铜螺丝固定在一起,一个接点放在沸水中,另一个接点放进冰水混合物中。温差电池就这样制成了。欧姆用电流扭秤一测,果然发现这个电池的电压比较稳定。

有了稳定的电源,又有能准确测量电流强度的扭秤,欧姆现在可以大显身手进行测量了。他将8根粗细相同、长度成倍数增加的铜导线分别接入电路,认真记下每一次测量所得到的电流强度的数值。他于1826年1月8日、11日、15目共进行了5次实验,得到了一大堆数据,他把这些数据填在表格中。我们知道,测量是有误差的,要想从一堆数据中找出从未知道的规律并不是一件容易的事。欧姆面对表格里这一组组数据,反复思索,反复琢磨,反复演算,用严谨的态度、科学的手段对这些数字进行整理。

经过认真细致地计算,欧姆终于得出了以下结论:

s=yES表示电流强度,E表示电压,y表示导电率(其倒数即为电阻)。

这就是著名的欧姆定律。现在的表述为:通过导体的电流与加在导体两端的电压成正比,与导体的电阻成反比。表达式为I=U/R式中,I为电流强度,U为电压,R为电阻。

1827年,欧姆发表论文《伽代尼电路的数学论述》,向外界公布了他的发现。

欧姆定律的发现,为电路研究开拓了一条光明大道,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)、电流强度和导电率(电阻)等概念,一直沿用到今天,为电学的研究起到了重大的推动作用。

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