История открытия закона ома кратко

Обновлено: 05.07.2024

История открытия закона Ома

В начале XIX века значительное число физиков увлеклись выяснением качественных и количественных закономерностей явлений электромагнетизма. Что же касается первопричины всех этих явлений, самого электрического тока, то здесь продолжали царить весьма туманные представления, лишенные каких бы то ни было опытных обоснований.

Первым физиком, попытавшимся выяснить основные внутренние закономерности прохождения постоянного электрического тока через проводники, был скромный школьный учитель в г. Кельне Георг Симон Ом (1789—1854), удостоенный лишь в возрасте 62 лет, т. е. за два года до своей смерти, звания ординарного профессора.

Георг Симон Ом (1789—1854)

После посещения гимназии Георг Симон Ом сначала изучал математику, физику и философию в Эрлангене, а у своего отца научился металлообработке. В течение следующих нескольких десятилетий он зарабатывал на жизнь учителем математики и физики в Швейцарии, Бамберге и Кельне. Помимо преподавательской деятельности, Ом проводил интенсивные исследования и эксперименты в области физики.

С 1817 г. по 1825 г. Ом работает старшим преподавателем математики и физики в реальной гимназии Кельна-на-Рейне, где в 1820 г. почти одновременно с А. М. Ампером начинает заниматься исследованием гальванических цепей. К 1825 г. все основные экспериментальные работы оказались законченными, и автор для завершения и подготовки к публикации обобщающей рукописи переезжает из провинции в Берлин.

Несмотря на успешные исследования, вначале он не получил большого признания как ученый. Закон Ома, сформулированный им в 1826 году и с помощью которого он вошел в историю как физик, в то время в значительной степени игнорировался.

Прежде всего Ом задался целью определить количественную связь между электровозбуждающей силой, интенсивностью гальванического тока и сопротивлением проводника. Его первые опыты, опубликованные в 1826 г, затруднялись непостоянством применявшихся в то время гальванических элементов.

По совету Поггендорфа, Ом пользовался в дальнейшем батареей термоэлементов. Установка его состояла из двух оловянных сосудов, в одном из которых находилась кипящая вода, в другом снег или лед.

Термоэлектрическая батарея представляла собой висмутовый стержень, к которому были привинчены болтами пластинки из меди. Места контактов располагались в оловянных полых цилиндрах, опущенных в сосуды. Свободные концы медных пластин были погружены в чашечки с ртутью, к которым были подведены соответствующие проводники. В цепь включались проволочные образцы из различных металлов.

Схема оборудования, использовавшегося Георгом Симоном Омом при проведении своих опытов (из книги "Georg Simon Ohm and the First Comprehensive Theory of Electrical Conductivity in Metals")

Сила тока измерялась посредством крутильного аппарата, изготовленного по чертежам самого Ома. На тонкой сплющенной металлической проволоке длиной около 12 см была подвешена магнитная стрелка, которая располагалась параллельно магнитному меридиану. Стрелка находилась вблизи исследуемого проводника. Когда через проводник шел ток, стрелка отклонялась и могла быть возвращена в нулевое положение.

Стрелка находилась вблизи исследуемого проводника. Когда через проводник шел ток, стрелка отклонялась и могла быть возвращена в нулевое положение посредством поворота головки подвеса, снабженной делениями. Относительные значения силы тока определялись по углам поворота.

Ранее английский химик Гемфри Дэви (1778—1829) ввел понятие проводимости проводников, которая прямо пропорциональна сечению проводника и обратно пропорциональна его длине. Он построил ряд металлов в порядке уменьшения проводимости: серебро, медь, свинец, золото, цинк, олово, платина, палладий, железо.

Ом пошел дальше и ввел понятие удельной электропроводности (по современной терминологии), т. е. электропроводности цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.

Варьируя длину, диаметр и материал образцов, Ом пришел к выводу, что его результаты удовлетворяют уравнению

где X — интенсивность магнитного воздействия проводника длиной х, а и b — константы, зависящие от электровозбуждающей силы батареи и сопротивления прочих частей цепи. В результате кропотливых измерений Ом установил закон, носящий его имя.

Основным законом для электрической цепи является закон, сформулированный немецким физиком Георгом Омом в 1826 г. Закон Ома: I (в амперах) = U (в вольтах)/R ( в омах), т. е. ток через сопротивление прямо пропорционален напряжению на сопротивлении и обратно пропорционален сопротивлению. Это соотношение можно также записать так - напряжение (U) равно произведению тока ( I ) в амперах и сопротивления (R) в омах.

Коэффициент пропорциональности в этой формуле, конечно, не случайно равен единице. Ом, ампер и вольт выбраны нарочно такими, как они есть, чтобы обратить этот коэффициент в единицу.

Открытый им закон без сомнения явился в электродинамике центральным и послужил основой для создания других.

Первая формулировка закона Ома, сделанная его собственным почерком в записной книжке (Архив Немецкого музея, Мюнхен, Германия).

Подробнее про закон Ома и его значение смотрите здесь: Закон Ома в популярном изложении

Сколь значительный объем работ проделал и к каким выводам пришел Ом, достоверно неизвестно. В предисловии к названной книге он прямо пишет о стесненных материальных условиях и значительных трудностях, связанных с возможностью ознакомления с новой литературой. Поэтому автор указывает, что публикуется только та часть, которая может встретиться с меньшей конкуренцией.

Титульные страницы оригинальной книги Ома (на немецком языке) и соответствующие переводы на французский и английский языки

После выхода в свет упомянутой ранее книги Ом до 1830 г. продолжал экспериментировать с электрическими цепями. Позднее занимался вопросами оптики и акустики.

Георг Симон Ом скончался 7 июля 1854 года в возрасте 65 лет от инсульта на мосту через Изар в Мюнхене. Он нашел свое последнее пристанище на старом южном кладбище Мюнхена.

Надгробная плита Георга Симона Ома

Разнообразие обнаруженных электрических явлений заставляло физиков задуматься над вопросом, тождественны ли виды электричества, получаемые различными путями, между собой. В изучении этого вопроса принимали участие многие физики во Франции и в Англии. Наиболее основательную попытку критической проверки результатов других авторов и окончательного выяснения вопроса предпринял в 1831 году английский физик Майкл Фарадей (1791—1867).

В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, что стало следующим важнешим шагом после открытия закона Ома для развития электротехники.

Закон Ома выглядит настолько просто, что трудности которые пришлось преодолеть при его установлении, упускают из виду и забывают. Закон Ома нелегко проверить, и его нельзя рассматривать как очевидную истину; действительно, для многих материалов ой не выполняется.

В чем же все-таки заключаются эти трудности? Разве нельзя проверить, что дает изменение числа элементов вольтова столба, определяя ток при разном числе элементов?

Дело в том, что, когда мы берем разное число элементов, мы меняем всю цепь, ибо дополнительные элементы имеют и дополнительное сопротивление. Поэтому необходимо найти способ изменять напряжение, не меняя самой батареи. Кроме того, разный по величине ток нагревает проволоку до развой температуры, и этот эффект тоже может влиять на силу тока. Ом (1787—1854) преодолел эти трудности, воспользовавшись явлением термоэлектричества, которое открыл Зеебек (1770—1831) в 1822 г.

Ом использовал термоэлектрический эффект в качестве источника электродвижущей силы. При неизменной разности температур напряжение термоэлемента должно быть весьма стабильным, а поскольку ток мал, заметного нагрева происходить не должно. В соответствии с этими соображениями Ом изготовил прибор, который, видимо, следует считать первым настоящим прибором для исследований в области электричества. До этого использовались лишь грубые приборы.

Прибор Ома для определения зависимости менаду током и сопротивлением.

Верхняя цилиндрическая часть прибора Ома представляет собой детектор тока — крутильные весы, ab и а' b' — термоэлементы, изготовленные из двух медных проволок, припаянных к поперечному стержню из висмута; m и m' — чашечки со ртутью, к которой можно было подключать термоэлементы. К чашечкам подсоединялся проводник, концы которого каждый раз зачищались перед тем, как погружались в ртуть .

Ом отдавал себе отчет в важном значении чистоты материалов. Ом держал спай а в кипящей воде, а спай а' опускал в смесь льда с водой и наблюдал отклонение гальванометра.

Типичную немецкую тщательность и внимательное отношение к деталям, характерные для Ома, можно противопоставить почти мальчишескому энтузиазму, который проявлял в своей работе Фарадей. В физике нужны оба подхода: последний обычно дает толчок к изучению какого-либо вопроса, а первый требуется, чтобы тщательно изучить его и на основе точных количественных результатов построить строгую теорию.

Ом использовал в качестве проводников восемь отрезков медной проволоки различной длины. Сперва ему не удалось получить воспроизводимые результаты, но неделю спустя он, очевидно, отрегулировал прибор и получил серию отсчетов для каждого из проводников. Эти отсчеты представляли собой углы закручивания нити подвеса, при которых стрелка возвращалась на нуль. Ом показал, что при надлежащем выборе постоянных А и В длина х и угол закручивания X нити связаны соотношением Х = (А / B+ z)

Можно проиллюстрировать это соотношение, построив график зависимости х от 1/Х.

График, построенный по результатам Ома

Ом повторил свой эксперимент с латунной проволокой и получил такой же результат при другом значении А и том же значении В. Он взял для спаев термоэлемента температуры 0 и 7,5° по Реомюру (9,4° С) и обнаружил, что регистрируемые им отклонения уменьшились примерно в 10 раз.

Таким образом, если предположить, что напряжение, которое дает прибор, пропорционально разности температур — как мы теперь знаем, это приблизительно верно,— то получается, что ток пропорционален этому напряжению. Ом показал также, что ток обратно пропорционален некоей величине, зависящей от длины проволоки. Ом назвал ее сопротивлением, и следует предположить, что величина В представляет собой сопротивление остальной части цепи.

Таким образом, Ом показал, что ток пропорционален напряжению и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи. Это был замечательно простой результат для сложного эксперимента. Так по крайней мере должно казаться нам сейчас.

Физика — наука эмпирическая. Ее основные законы вытекают из практического опыта и частенько много лет не имеют теоретических обоснований. Именно так обстоит дело с главным законом электротехники, который открыл в 1826 году выдающийся немецкий ученый Георг Симон Ом.

Электрическая цепь состоит из двухполюсного источника напряжения, то есть батареи, аккумулятора или генератора. Если полюса источника соединить проводами, то по ним потечет электрический ток. Его величина определяется сопротивлением проводников. Наглядное представление этой зависимости — обыкновенный водопровод. Аналогом источника напряжения является насос или водонапорная башня, создающая давление в магистрали, количество воды, прошедшее по трубе, — подобие силы тока, а кран соответствует сопротивлению. Полностью открытый, он не ограничивает поток, по мере закручивания отверстие для воды уменьшается, пока не закроется совсем.

Георг Симон Ом (нем. GeorgSimonOhm, 1787-1854) – известный немецкий физик, разработавший и практически подтвердивший закон, который отразил связь между силой тока, напряжением и сопротивлением. Авторству ученого принадлежит акустический закон, получивший широкое признание после его смерти.

Георг Симон Ом (Georg Simon Ohm)

Под крылом отца

Георг Симон Ом появился на свет 16 марта 1787 года в небольшом прусском городке Эрпаген. Его отец Иоганн Вольфганг профессионально занимался слесарным делом и при этом все время тяготел к новым знаниям. Он самостоятельно изучал математику, а также проходил обучение в школе технического рисования. Мать будущего ученого Мария Елизавета была дочерью кузнеца и родила своему мужу семерых детей. Когда Георг был младшим подростком она скончалась во время родов, оставив Иоганна с двумя сыновьями и дочкой. Чтобы обеспечить им нормальную жизнь отец много трудился, а все свободное время посвящал детям.

Первая школа, где учился Георг была частной и в ней преподавал всего один человек – ее владелец, бывший чулочник. Не имея педагогического образования, он оказался талантливым учителем и хорошо подготовил подопечного к поступлению в гимназию. Акцент в преподавании здесь делался на языки, поэтому точные науки Ому приходилось осваивать вместе с отцом. Георг вместе с младшим братом Мартином (в будущем профессор математики) показывал недюжинные способности и вскоре с ними начали заниматься университетские преподаватели. Один из них – К. Лангсдорф даже согласился проэкзаменовать Ома по окончании гимназии и вынес вердикт, что он очень талантлив и обязательно станет знаменитым.

Начало своего пути

В 1805 году Ом без проблем был зачислен в Эрлангенский университет, где учился без особых проблем. Здесь он увлекся танцами и бильярдом, демонстрируя успехи в новых для себя занятиях. Отцу смена жизненных ориентиров не очень нравилась, что привело к заметному ухудшению отношений с сыном. В результате спустя три семестра молодой студент покинул стены Альма-матер и отправился преподавать математику в швейцарский городок Готтштадт. Спустя два года Ом перебирается в немецкий Нейербург, продолжая педагогическую практику. На этой стезе он приобретет солидный опыт, который будет обобщен в методической статье, увидевшей свет в 1817 году.

В 1811 году Георг возвращается в родной город и вновь садится за студенческую скамью. Он сделал это столь успешно, что в течение этого же года защитил диплом, написал диссертацию и получил ученую степень доктора философских наук. После завершения обучения ему предложили поработать в должности приват-доцента кафедры математики. Поначалу Ом воспринял свою работу с энтузиазмом, но через 1,5 года вынужден был покинуть университет из-за материальных проблем. В период 1812-1816 годов Георг работает в школе Бамберга преподавателем физики и математики, а после ее закрытия получает предложение переехать в Кельн для обучения слушателей подготовительных классов.

Кельнский период

В этом городе ученый проведет 9 лет. На новом месте его переполняли позитивные эмоции – удобное расписание занятий, отличное оборудование, добрые отношения с коллегами создавали отличный жизненный фон. Из-за появившегося свободного времени параллельно с преподаванием Ом всерьез занялся наукой. В сфере его интересов – процессы, происходящие в электрических цепях.

Но сперва Георг занялся своими приборами, многие из которых нуждались в ремонте. С характерной для него въедливостью он стал готовить аппаратуру для запланированных экспериментов. Ома все больше интересовала физика с ее многочисленными загадками, да и конкуренция в этой области была не столь сильна. Направление движения к намеченной цели ученый определял порой интуитивно, но очень точно. Он понял, что сначала необходимо овладеть способами количественного исследования явлений.

Открытие закона Ома

Ом усовершенствовал принцип измерения тока, акцентировав внимание не на тепловом, а на магнитном действии, ранее открытым датским коллегой Эрстедом. В его приборе ток, проходивший по проводнику, заставлял перемещаться магнитную стрелку, которая висела на упругой проволоке из золота. Её верхний конец прикреплялся к специальному винту, с помощью которого ученый компенсировал поворот стрелки, спровоцированный магнитным воздействием. При этом угол поворота винта выступал мерилом тока.

Так выглядели промышленные гальванометры выпускавшиеся с 1900 года — основаны на приборе изобретенном Омом

На первых порах экспериментатор работал с гальваническими источниками тока, но вскоре понял, что они генерируют ток, интенсивно убывающий со временем. Игнорирование этого обстоятельства вызвало определенные неточности в его первых статьях. Пытливый ум Георга помог ему преодолеть затруднение, и он обратился к явлению, впервые описанному Томасом Зеебеком. Оно связано с возникновением электричества в цепи из двух проводников при условии, что спаи между ними имеют неодинаковую температуру.

Для своего эксперимента ученый взял термопару медь и висмут, при этом первый спай был расположен в кипятке, а второй в тающем снеге. В результате устройство обеспечило необходимую стабильность тока, что позволило автору сделать объективные выводы о влиянии длины, сечения и химического состава проводников на электрический ток. Позднее Ом изменил установку, включив в нее 8 медных проволок различной длины, но идентичного диаметра. Автор и в дальнейшем неоднократно менял условия эксперимента – брались разные термоэлементы, в том числе латунные проволоки, корректировалось сопротивление, но результат наблюдений сводился к уже выведенной формуле.

В результате был открыт эмпирический закон, в котором устанавливалась связь между силой тока в проводнике с напряжением на его концах и сопротивлением.

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению на концах участка и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи

Георгу удалось доказать, что в его уравнении постоянная b (характеризует свойства электроустановки) не зависит от длины проводника и возбуждающей силы. Это дало основание полагать, что данная величина отражает свойства неизменяемой части электрической цепи. Суммирование в знаменателе выведенной формулы корректно лишь для параметров с одинаковыми наименованиями, поэтому постоянная b характеризует проводимость неизменяемого сегмента цепи.

Популярно о законе Ома рассказано в видео.

Ому принадлежит авторство понятия электродвижущей силы. Он сформулировал свой закон не только в дифференциальных значениях, но и в конечных величинах, подходящих для частных случаев отдельных электроцепей, среди которых первостепенное значение имела термоэлектрическая цепь.

Переезд в Нюрнберг

В 1833 году Ом переезжает в Нюрнберг, куда его пригласили на должность профессора физики в недавно открывшуюся специализированную школу. В дальнейшем он возглавил кафедру математики и получил место ректора школы. В это время научные приоритеты Георга начинают меняться – его стала интересовать акустика.

В 1843 году ему удалось сформулировать акустический закон, названный именем автора. Он основан на природе слуховой системы человека, которая способна дифференцировать сложную звуковую волну на отдельные сегменты, то есть до определенных пределов мы воспринимаем индивидуальные частоты, вместе создающие сложное звучание. Ом доказал, что элементарные акустические ощущения вызывают гармонические колебания, на которые ухо разделяет сложные звуки. Поначалу этот закон, как и предыдущий не нашел широкого признания. Лишь спустя 20 лет немец Гемгольц провел серию более точных экспериментов с резонаторами, которые подтвердили выводы Ома.

Международное признание

Со временем Георг получил признание на мировом уровне. Его работы издаются на нескольких европейских языках. На русский переводов не было, но работавшие в России учёные немецкого происхождения Борис Семёнович Якоби и Эмилий Христианович Ленц всячески пропагандировали выводы ученого. Как апофеоз заслуг Ома выступило его награждение золотой медалью и принятие в ряды членов Лондонского королевского общества. Георг стал всего вторым ученым из Германии, удостоившимся такой чести. Несмотря на это, у него оставалось немало противников, которые не только принижали заслуги, но и откровенно препятствовали работе.

Оценили труды соотечественника и на родине. В 1845 году физик стал членом Баварской АН, а в 1849 году он был приглашен в Мюнхен на место экстраординарного профессора. Вскоре он получает должность официального хранителя коллекции физических и математических приборов, а также работает референтом по телеграфному департаменту при Министерстве госторговли. На протяжении всей жизни ученый испытывал необыкновенно теплые чувства к брату Мартину, который оставался его самым главным критиком и советчиком. Не менее близкие отношения были у Ома и с отцом, которому он был безмерно благодарен за предоставленную возможность прикоснуться к науке.

В 1852 году Георга наконец назначили ординарным профессором, но его здоровье к тому времени оставляло желать лучшего. В 1854 году у него случился сердечный приступ, после чего баварский король освободил ученого от чтения лекций, однако через 12 дней Ом скончался.

Георг Ом ушел из жизни 6 июля 1854 года и был захоронен на Старом кладбище Мюнхена.

Читайте также: