История измерительных приборов сообщение

Обновлено: 18.05.2024

Основная цель моей работы – выяснить историю происхождения измерительных инструментов, какие появились современные инструменты, показать роль измерительных инструментов в жизни человека.

Вложение	Размер
istoriya_izmerit.instrum._butakova_a.docx	309.21 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение Белоярского района

Проект в номинации Математика, информатика, физика, астрономия

Бутакова Арина Юрьевна

Научный руководитель проекта:

Береснева Галина Борисовна

Измерительные приборы в школе……………………………………………..

История появления циркуля……………………………………………….

Интересные факты из жизни циркуля…………………………………………

История создания транспортира………………………………………………

Наверное, у каждого найдутся дома линейка и сантиметровая лента. Они нужны для того, чтобы измерять длины. Если мама решит сшить дочке платье или связать свитер, то, конечно, начнет с того, что измерит обхват груди, талии, наметит нужную длину изделия. Все это она будет делать сантиметровой лентой. А когда сын захочет сделать модель планера, то тут уж, конечно, не обойтись без линейки и угольника.

Есть дома и другие измерительные приборы. Это часы, по которым узнают, когда надо идти в школу и когда начнется любимая передача по телевизору. Термометр, на который обязательно каждый бросит взгляд, выходя на улицу. Счетчик электроэнергии, по которому узнают, сколько надо за нее заплатить в конце месяца, и многое другое.

А сколько измеряющих приборов на щитке автомобиля! Тут и спидометр, по которому водитель узнает, с какой скоростью он едет, и приборы, показывающие, сколько бензина в баке, и счетчик пройденных автомобилем километров и т.д. В магазине перед продавцами стоят весы, на которых они отвешивают продукты. Рядом стоят автоматы, которые, если в них опустить нужную монету, выдают определенное количество растительного масла.

Но больше всего измеряющих приборов на заводах. Когда рабочий вытачивает деталь, то все время измеряет ее. Ведь если он снимет лишний металл, дорогая деталь пойдет в брак. А на химических предприятиях стоят приборы, проверяющие температуру и состав веществ, давление газа и т.д. Измеряющими приборами полны и современные самолеты. С их помощью пилот верно ведет машину, правильно взлетает и садится, проверяет, не обледенели ли крылья самолета.

Современное сельское хозяйство тоже невозможно без измерений. Агроном должен знать температуру почвы, количество семян, высеянных на том или ином поле, количество и состав внесенных удобрений. И уж, конечно, он должен знать площадь каждого поля.

Так что – измерения – одно из важнейших дел в современной жизни.

Основная цель моей работы – выяснить историю происхождения измерительных инструментов, какие появились современные инструм енты, показать роль измерительных инструментов в жизни человека.

Моя задача состоит в том, чтобы рассказать одноклассникам об истории знакомых нам измерительных инструментов.

Глава I. Измерительные приборы в школе

У каждой вещи есть своя история её появления. Вот, например, линейка, которая лежит в портфеле. Кто её придумал? Сегодня для нас это обычная вещь. Линейка просто незаменима для школьников, студентов, для работников, которым часто нужно делать чертежи, для бухгалтеров, строителей и многих других. Линейки бывают разные по форме, величине, отметкам.

Линейка: -и, [ жен. род ] 1. Прямая черта на бумаге, на какой-нибудь поверхности, помогающая писать прямыми ровными строками. Тетрадь в косую линейку (разлинованная также наискось, сверху вниз). Писать по линейкам. 2. Планка для вычерчивания прямых линий, для измерений. Масштабная линейка. 3. Одна из дорожек внутри военного (или военизированного) лагеря, разделяющих его на прямоугольные участки (спец.). Передняя линия. 4. Строй в шеренгу. Построиться в линейку. 5. Сбор, на котором участники выстроены шеренгами. Торжественная линейка. Прочитать приказ на линейке.

Линейка — простейший измерительный инструмент , представляющий собой узкую пластину, у которой как минимум одна сторона прямая. Обычно линейка имеет нанесённые штрихи (деления), кратные единице измерения длины (сантиметр, миллиметр), которые используются для измерения расстояний.

Линейки обычно производят из пластика или дерева, из металлов.

1.1.1 История школьной линейки

Любой студент XVIII столетия позавидовал бы современному школьнику только потому, что в пенале последнего, — надеемся на его прилежность, — лежит линейка. Раньше, сто с лишним лет назад, линейка была непозволительной роскошью для ученика. Доказательством существования линейки ещё в древние времена, стало её нахождение при раскопках на территории древней Помпеи. Она представляла собой тщательно отструганную дощечку, которая помогала архитекторам в планировании сооружений.

Линейка, которой сейчас пользуемся мы, появилась во Франции. Тогда лучшим академикам было поставлено задание: разработать новый улучшенный вид линейки с новой системой мер.

Первая линейка, которую мы привыкли видеть сегодня - появилась после французской революции. Но вот не задача, необходимо этому прибору задать какое - то значение длины, и взять его нужно не "с неба". Поэтому ученые нашли выход. Переходя на новую систему мер, ученые взяли за основу географический меридиан, что проходит через Париж. Отсюда и взяли сантиметр (одна 40-милионная часть этого самого меридиана). Ну, а с миллиметром уже было проще, как известно - это одна десятая часть сантиметра. Первую современную линейку изготовили из латуни. Её длина составляла 1 метр, а ширина 25 мм. Такую линейку назвали "Республиканский метр". Казалось бы, размер деления вычислили, даже линейку изготовили, а простым людям этот чудо-прибор так сразу в руки не попал. Поначалу линейки использовали только инженеры для построения чертежей и ученые для самых разнообразных измерений. Что интересно - так это то, что эти линейки поначалу изготавливались только из дерева. В конце 19 века линейки начали поступать в школы и ВУЗы, где они несут свою службу на страже ровных линий и точных размеров у школьников и студентов.

1.1.2 Виды линеек

Угольник — линейка в форме прямоугольного треугольника, как правило, с

миллиметровой шкалой и с пустотой в форме уменьшенного подобного треугольника внутри.

Наиболее распространены угольники двух видов: с острыми углами по 30 и 60 градусов и равнобедренными с одинаковыми острыми углами по 45 градусов. Угольники используются в черчении для построения некоторых углов без помощи транспортира. При использовании двух угольников можно построить больший набор углов, прикладывая их друг к другу. Например, угол в 75 градусов (30+45), 120 градусов (90+30) и т.д. Также угольник можно использовать для построения параллельных прямых или же горизонтальных либо вертикальных линий, прикладывая его катет к краю листа.

Офице́рская лине́йка — специальная линейка , инструмент для

работы офицера , представляющий собой прозрачную пластину, пластмассовый прямоугольник с прорезями ( трафаретами , лекалами , транспортиром , нанесёнными делениями для измерения углов , расстояний , нанесения условных знаков на топографических картах и других рабочих документах).

10 предназначена для выполнения необходимых расчетов в полете и на земле при подготовке к полету. Она обладает рядом достоинств. При сравнительно небольших габаритах счетная линейка позволяет довольно просто и с достаточной для практических вычислений точностью решать большинство задач по самолетовождению, бомбометанию, воздушной стрельбе и т. д. Навигационная

Этот незатейливый инструмент умеет решать ВСЕ задачи, связанные с самолетовождением, бомбометанием, воздушной стрельбой и до кучи решает обычные математические задачи (умножение, деление, взятие степени, нахождение логарифмов и т.п.) плюс умеет перевод величин в разные системы. НЛ-10 необходимых расчетов в при 1.2 Циркуль

Циркуль знаком каждому человеку со школы - на уроках черчения нельзя обойтись без этого инструмента для рисования окружностей и дуг. Кроме того, его используют для измерения расстояний на картах, его применяют в геометрии и для навигации.

В Большом энциклопедическом словаре (АСТ, 2009) даётся такое понятие циркулю:

Циркуль – от латинского circulus - круг, чертежный инструмент для вычерчивания тушью и карандашом окружностей, измерения и переноса размеров на чертежи. Состоит из двух шарнирно соединенных стержней, один из которых опорный (с иглой на конце), другой - измерительный (также с иглой) либо чертежный (с грифелем или рейсфедером).

1.2.1 История появления циркуля

Что такое циркуль – знает каждый школьник. Но, кто же изобрел этот инструмент, как появился циркуль? То, что им чертятся окружности – это понятно из латинского слова circulus, от которого и произошло название инструмента. Когда же появился у человечества циркуль? О том, как появился циркуль, кратко повествуют легенды Древней Греции. Каждый из нас знает историю Дедала и его сына Икара. Но немногие слышали о том, что у Дедала был еще и племянник Талос, сын его сестры. Талант изобретательства был у них в крови: племянник оставил после своей гибели два стержня, соединенных между собой и способных вычерчивать идеальную окружность. Это и был первый циркуль.

Талос изобрел гончарный круг, когда ему было всего 12 лет. Ему же принадлежит и создание пилы: на это его сподвиг скелет рыбы. Если бы не гибель Талоса в молодом возрасте, многие известные нам инструменты или механизмы появились бы гораздо раньше.

Но историки утверждают, что инструменту не менее 3 тысяч лет. Ассирийцы и вавилоняне использовали циркуль и линейку в архитектуре, изображая ровные линии и правильные круги, на храмах, стенах домов, на посуде и кубках. Конкретного источника, повествующего о том, как появился циркуль, история не называет, но без него нельзя было начертить ровного круга ни три тысячи лет назад, ни сейчас.

Археологи во время раскопок находят разные доказательства древнейшему происхождению циркуля. Изучая древний курган во Франции, археологи нашли железный инструмент, которому было не менее 2 тысяч лет. Погребенный под пеплом греческий город Помпея, стал подтверждением древности циркуля: под пеплом много найдено этих инструментов, сделанных из бронзы. Но и на территории России происходили подобные находки: во время раскопок в Новгороде археологи обнаружили циркуль – резец из стали. Для чего же служили новгородцам эти инструменты? В древности на Руси очень любили узоры из правильных кружков, и они наносили их с помощью этого инструмента

О том, как появился циркуль, история происхождения его в этих местах – все это неизвестно. Торговые связи с Византией были установлены еще Вещим Олегом: таким образом, могли появиться на Руси и другие приспособления. Интересным остается тот факт, что конструкция инструмента практически не изменилась. На протяжении веков использования циркуля, к его основе были добавлены только насадки, которые укрепляли грифель и удлиняли его ноги. Модернизация инструмента позволяет увеличить окружность до 60 см, при изначальном росте циркуля – 12 см.

Тем, кто занимается проектированием, чертежами, очень необходим циркуль: строить дуги, ровные окружности без него трудно.

На древних храмах особенно хорошо видно, что с тех пор, как появился циркуль, оформление зданий, куполов стало идеальным.

1.2.2 Виды циркуля

Нельзя не заметить и то, что появилось много аналогов классическому циркулю. Предназначены они не только для вычерчивания окружностей, но и для других целей.

К примеру, разметочный циркуль : с его помощью переносят линейную разметку.

Или кронциркуль. Он нужен для того, чтобы можно было вычертить такие маленькие окружности, которые в диаметре могут быть 2 мм. Если потребуется чертеж, выполненный в туши, то грифель легко заменяется рейсфедером.

Штангенциркуль – для измерения окружностей разных диаметров.

Чтобы измерить масштаб на карте, потребуется пропорциональный циркуль. Картографы, мореплаватели, навигаторы – все используют этот уникальный инструмент.

С тех давних пор, как появился циркуль, он не претерпел кардинальных изменений, но область его применения значительно расширилась. Медицина – это наука, в которой применяются разные виды этого инструмента. Существует толстотный циркуль: он бывает большой и малый. Служат они для измерения тела и головы человека, его поперечных размеров. Циркуль Вебера – это уже инструмент психофизиологов: им измеряется порог кожной чувствительности человека.

1.2.3 Интересные факты из жизни циркуля

Греческая покровительница астрономии – богиня Урания, имеет символическое обозначение в виде глобуса и циркуля. С тех пор, как появился циркуль, он стал символом справедливости. Как и квадрат, окружность означает пределы прямых линий. Сама по себе фигура круга с точкой в центре – это справедливость и источник жизни.

Транспортир [фр. transporteur \\ лат. transportare переносить] -- прибор в виде разделенного на 180 0 полукруга для построения и измерения углов

1.3.1 История создания транспортира.

Когда же появился транспортир? Оказывается, эта угловая мера возникла много тысяч лет тому назад.

С древнейших времен люди сталкивались с необходимостью измерять. Понятие градуса и появление первых инструментов для измерения углов связывают с развитием цивилизации в древнем Вавилоне, хотя само слово градус имеет латинское происхождение (градус– от лат. Gradus–шаг, ступень). Градус получится, если разделить окружность на 360 частей.
Возникает вопрос – а почему древние вавилоняне делили именно на 360
частей? Дело в то, что в Вавилоне была принята шестидесятиричная система
счисления. Более того, число 60 считалось священным. Поэтому все
вычисления были связаны с числом 60 (календарь вавилонян включал 360
дней).

Кроме градуса, были введены такие единицы измерения, как минута ( часть
градуса) и секунда ( часть минуты). Названия ―минута и ―секунда
произошли от partes minutae primae и partes minutae sekundae, что в переводе
означает "части меньшие первые" и "части меньшие вторые". В истории
науки эти единицы измерения сохранились благодаря Клавдию Птолемею,
жившему во II веке.

История не сохранила имя ученого, который изобрел транспортир –
возможно в древности этот инструмент имел совсем другое название.

Итальянский физики установили, что древнеегипетский инструмент, который хранится в музее в Турине, является первым транспортиром в истории — прибором для измерения углов.

Прибор, который был найден в Египте во время раскопок, представляет собой планку, с диском, закрепленным сверху, который разделен на 16 одинаковых секторов рисунком.

Транспортиры изготавливаются из стали, пластмассы, дерева и других
материалов. Точность транспортира прямо пропорциональна его размеру.

1.3.2 Разновидности транспортиров
1. Полукруговые (180 градусов) — наиболее простые и древние
транспортиры.
2. Круглые (360 градусов).
3. Геодезические, которые бывают двух типов: для построения
и измерения углов на планах и картах; для нанесения точек
на чертежной основе по известным углам и расстояниям. Цена
деления угломерной шкалы — 0,5°, прямолинейной — 1 миллиметр.

Существуют продвинутые типы транспортиров, которые необходимы для

более точных построений и измерений. Например, специальные транспортиры с

прозрачной линейкой с угломерным нониусом, который вращается вокруг центра.

Ещё 10-15 лет назад даже профессиональные строители пользовались обычными отвесами и рулетками. А сейчас уже и на бытовом уровне нам доступны приборы, автоматически размечающие плоскости с нужным углом наклона, проводящие ровные линии по стенам. О том, какой путь за историю человечества проделали самые популярные у строителей измерительные инструменты – рулетка, уровень и линейка, мы расскажем в этой статье.

Линейка

История измерительных инструментов начинается, пожалуй, именно с линейки. Когда она была точно придумана не известно. Ясно только, что ещё древние греки использовали такие дощечки с насечками, чтобы измерять небольшие расстояния. В том виде, к которому мы привыкли, линейки появились после Французской революции. Именно тогда для измерения были предложены металлические или деревянные дощечки, длиной 1 метр с насечками по 1 сантиметру.

Сейчас линейки также активно используются. Изменился материал, из которого они делаются – вместо металла и дерева часто используется пластмасса. На них могут отображаться различные размерные шкалы, предлагаться не только прямые, но и волнистые края для проведения фигурных линий и т.д.

Рулетка

Рулетка есть, наверное, в арсенале всех домашних мастеров и профессиональных строителей. Она отлично заменяет линейку, если нужно измерить расстояние более 1 метра. Первые прототипы рулеток появились в 16 веке в Китае. Они использовались для измерения расстояний на открытой местности. Это был рулон ткани, на котором отмечались меры длины. Скатывался он, конечно, не автоматически, а вручную. Но всё-таки это было намного удобнее, чем ходить по участку с обычной линейкой или аршином.

Постепенно рулетки развились в более компактные и удобные приборы. Ткань в их корпусе заменила прочная лента из металла. Такая лента имеет ребро жесткости, проходящее в центре по всей длине, благодаря чему полотно не сгибается и им удобно пользоваться. Размеры рулеток, которые сейчас можно найти в продаже – до 50 метров. Наиболее популярны модели в 3, 5 и 10 метров.

Несмотря на то, что пользоваться такими рулетками удобно, по сути, они всё равно недалеко ушли от своего китайского прототипа, изобретённого несколько столетий назад. Недавно на рынке появились принципиально новые современные измерительные инструменты, делающие замеры не с помощью полотна, а посредством лазерного луча. Их главное достоинство – это простота в использовании. Расстояние от точки до точки измеряется с минимальной погрешностью. При этом даже большую длину может измерить один человек без напарника.

Уровень

Как узнать угол наклона чего-либо относительно плоскости земли? Или как провести ровную горизонтальную линию на стене? Раньше для всего этого использовались так называемые отвесы. Это простейший прибор, состоящий из деревянного прямоугольного треугольника и прикреплённого к его вершине грузика на верёвочке. С его помощью проводилась сначала прямая вертикальная линия, а от неё уже отсчитывались нужные по горизонтали углы. Но в 1666 году появился первый уровень с прозрачной колбой – прототип тех измерительных приборов, которые сейчас знакомы каждому строителю. Постепенно развиваясь, уровни становились более сложными. На них появилась дополнительная колба, расположенная перпендикулярно к основной. Некоторые модели, которые используют плиточники, стали оснащаться более прочным корпусом, чтобы по ним можно было стучать киянкой во время выравнивания плитки.

Доступны сейчас и современные лазерные модели уровней. Они позволяют провести ровную линию по стенам, отчерчивая вертикали и горизонтали в трёх измерениях. Линии просто проецируются лазерами. Им можно задать необходимый угол наклона, что особенно важно при воплощении в жизнь сложных дизайнерских проектов. Профессиональные модели таких уровней оснащаются системой автоматического выравнивания.

Узнать точное время, измерить длину или взвесить что-нибудь — сегодня сделать все это не составит никакого труда. Однако были времена, когда умнейшие люди бились над решением этих задач.

Самые древние весы, обнаруженные археологами, использовались около семи тысяч лет назад в Месопотамии.

Лин ейка

А линейка, которой до сих пор пользуемся мы, появилась уже в послереволюционной Франции, когда лучшие учёные собрались специально для того, чтобы разработать универсальную систему мер. Академики решили, что главным делением линейки должен стать сантиметр — одна сорокамилионная часть географического меридиана, проходящего через Париж, более мелким делением — миллиметр, который равен десятой части сантиметра. Тогда же учёные мужи смогли изготовить две платиновые метровые линейки.

В одном градусе — 60 минут, в одной минуте — 60 секунд. Этим мы обязаны древним шумерам, которые за две тысячи лет до Н. Э. стали пользоваться шестидесятеричной системой счисления.

Затем в Древнем Египте сутки поделили на два равных двенадцатичасовых отрезка, уже тогда египтяне стали использовать большие обелиски для слежения за временем. Это была своеобразная версия солнечных часов: тень от обелиска, двигаясь по земле, указывала на нарисованном циферблате время. Однако такие часы были крайне неудобны: они, естественно, не учитывают деление земли на часовые пояса, а в пасмурную погоду становятся попросту бесполезными.

Первые механические часы появись в Китае в 725 году, мастера И Син и Лян Линцзань смогли собрать устройство с анкерным механизмом, однако это изобретение так и не дошло до европейцев. Аббат Герберт Реймский, ставший впоследствии папой Сильвестром II, примерно в 1000 году изобрел маятниковые часы. Спустя почти 300 лет в Европе появились первые башенные часы: английские мастера установили их в Вестминстере. В России первые башенные часы, украсившие Московский Кремль, появились в начале XV века.

В 1675 году были запатентованы карманные часы Христиана Гюйгенса. Затем его идею миниатюрных часов развили до часов наручных, которые, к слову, долгое время оставались исключительно женским аксессуаром. Все изменили постоянные войны, где солдатам нужно было всегда знать точное время. Тогда, в 1880 году, начали производить специальные наручные часы для военных.

Сегодня самые точные часы в мире, по которым все сверяют время, — атомные. Но и они не идеальны: каждые три тысячи лет дают погрешность в одну миллисекунду.

Первые приборы для измерения электрических зарядов, сопротивления и тока — гальванометры — были созданы еще в конце XVIII в. Позже они также стали использоваться как приемники телеграфных линий.

Рис. 1. Шарль Кулон (1736–1806)

Именно так произошло с законом взаимодействия электрических зарядов, положившим начало электростатике. Его открыл знаменитый французский военный инженер Шарль Кулон (Charles-Augustin de Coulomb, рис. 1) [1–3].

Кулон занимался измерениями суточной девиации магнитного поля Земли, для чего использовал магнитную стрелку на торсионном подвесе. Пытаясь снизить погрешности, он изучил свойства таких подвесов и установил строгую пропорциональность между силой и углом закручивания металлической нити. И в результате изобрел чувствительнейший измеритель весьма малых механических сил, называемый теперь весами Кулона. Он использовал эти весы в 1784 г. при установлении своего знаменитого закона для силы взаимодействия f_C между зарядами q₁ и q₂:

Рис. 2. Весы Кулона

где R — расстояние между зарядами, а k_C — постоянная Кулона. Прибор для измерения сил отталкивания одноименных зарядов (рис. 2) содержал стеклянный цилиндр диаметром 32 см со шкалой (1), серебряную струну (2), коромысло с заряженным шариком (3) и противовесом (4), а также неподвижный заряженный шарик (5). Сила отталкивания заряженных шариков определялась по углу закручивания струны. Для измерения сил притяжения разноименных зарядов использовалась другая конструкция [2].

Чувствительность весов Кулона была доведена до фантастической величины в 3?10 –6 мг/град шкалы — до сих пор недостижимой другими методами измерения. Кулон был избран в Парижскую Академию наук, а его имя увековечено в названии единицы заряда в системе SI — 1 кулон.

Рис. 3. Гальванометр Ампера

C помощью такого прибора Ампер установил знаменитый закон, носящий его имя, который определяет механическую силу f_A, приложенную к проводнику с током длиной l, находящемуся в магнитном поле с индукцией B:

Рис. 4. Мультипликатор Швейггера

Научный вклад Ампера всемирно признан. Единица тока, названная ампер, входит в число четырех основных единиц международной системы SI: наравне с метром, килограммом и секундой. В честь Ампера в его родном городе Лионе открыт музей и воздвигнут памятник.

Рис. 5. Гальванометр Нобили

Эти и другие усовершенствования воплотились в астатическом гальванометре, созданном в 1825 г. профессором физики из Флоренции Леопольдо Нобили (Leopoldo Nobili) (рис. 5). В стеклянной колбе на упругой нити (1) были подвешены, в соответствии с идеей Ампера, две параллельные магнитные стрелки: одна (2) над шкалой, а другая (3) внутри измерительной катушки Швейггера (4).

Обе стрелки были намагничены в противоположных направлениях, поэтому магнитное поле катушки действовало на них в одну сторону, а магнитное поле Земли — в разные, что исключало его влияние на показания. Это был наиболее чувствительный по тем временам прибор, позволивший измерять слабые термоэлектрические и физиологические токи человека и животных и заменивший лапки лягушки Гальвани. Гальванометр Нобили широко использовался вплоть до конца XIX в. Это был уникальный лабораторный прибор, в котором большое значение придавалось даже внешней отделке [2, 4].

Гальванометр был также применен для измерения другой важной электрической величины — сопротивления [1–3, 5] . Назвать ее так предложил немецкий школьный учитель Георг Ом (Georg Ohm). Он провел тщательные исследования электрической цепи с батареей, нагруженной резистором R, которые привели к открытию в 1826 г. его знаменитого закона:

где u — напряжение на зажимах батареи, i — ток, текущий в цепи.

Рис. 6. Прибор Ома

Однако первоначальные опыты с гальваническим элементом, нагруженным длинным проводом, привели Ома к ошибочному заключению о логарифмической зависимости тока в цепи от длины провода [2, 5]. Сейчас мы можем объяснить эту неудачу нестабильностью гальванических элементов, а также влиянием неизвестных в то время факторов: внутреннего сопротивления элемента и зависимости сопротивления провода от его нагрева током. Тогда же немецкий физик Иоганн Поггендорф (Johann Poggendorff), опубликовавший первые результаты Ома в своем журнале, посоветовал ему заменить гальванический элемент термоэлектрическим, открытым в 1821 г. немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Seebeck) из Ревеля (теперь Таллинн). Последний экспериментально установил, что биметаллические спаи генерируют ЭДС, названную им термоЭДС, которая зависит только от разности температур спаев и их материалов [1]. Кроме того, внутреннее сопротивление термоэлемента было ничтожным, а величина ЭДС — на два порядка ниже ЭДС гальванического элемента, что исключало нагрев проводника. В результате Ом создал сложнейший по тем временам измерительный прибор (рис. 6) [3].

Он содержал: П-образную пластину (1) из висмута, к двум коленам (2 и 3) которой были припаяны медные проводники (4 и 5), опущенные в чашечки (6 и 7) с ртутью. К этим чашечкам подключался не показанный на рисунке испытуемый провод. Над проводником 4 размещался гальванометр Ампера (8), показания которого считывались через окуляр (9). Одно из колен со спаем охлаждалось тающим льдом (опыты проходили в январе), а другое опускалось в кипящую воду. Таким образом, контактная разность температур строго поддерживалась на уровне +100 °С. С немецкой педантичностью Ом провел многочисленные измерения и установил, что величина тока в проводе обратно пропорциональна его сопротивлению, определяемому материалом, длиной и сечением. В честь первооткрывателя закона единица сопротивления в системе SI была позднее названа 1 Ом, а приборы для его измерения — омметрами. Однако при жизни Ома его закон не был признан из-за кажущейся простоты формулировки и сравнительной трудности проверки. Ом занял кафедру физики университета Мюнхена, о которой всю жизнь мечтал, лишь за два года до смерти [2]. Всю жизнь он нуждался и не мог даже завести семью.

Рис. 7. Прибор Беккереля

Напряжения на сопротивлениях подавались на дифференциальный гальванометр с двумя катушками (1 и 2), намотанными в противоположных направлениях. Таким образом, нулевое положение стрелки означало точное равенство сравниваемых сопротивлений. Преимуществом метода, помимо простоты, было также устранение влияния нестабильности гальванического элемента.

Другим измерителем сопротивления стал мост Уитстона, названный в честь английского физика и изобретателя Чарльза Уитстона (Charles Wheatstone). В данном случае использовался обычный гальванометр G, включенный в диагональ моста (рис. 8). При равенстве добавочных сопротивлений R_a и R_b условием нулевого тока гальванометра является равенство измеряемого (R_x) и эталонного (R_s) сопротивлений.

Рис. 8. Мост Уитстона

Однако фактическим изобретателем этой схемы был преподаватель военной академии в Вулвиче (Англия) Сэмюэл Кристи (Samuel Christie), который опубликовал описание этого метода в 1833 г. [5]. К сожалению, работа Кристи была написана настолько невразумительно, что прибор стал известен лишь в 1843 г., уже после публикации Уитстона, который хоть и указал на приоритет Кристи, но остался в литературе как создатель этого моста — до сих пор весьма популярного.

Рис. 9 . Уильям Томсон (1824–1907)

Первое практическое применение гальванометр нашел еще в 1830-х гг. — в качестве телеграфного приемника аппаратов Уитстона и Павла Львовича Шиллинга, а также телеграфа Карла Гаусса (Carl Gauss) и Вильгельма Вебера (Wilhelm Weber) [2, 6] . По мере того как росла протяженность телеграфных линий, чувствительности известных гальванометров уже не хватало. Особенно для первого трансатлантического кабеля между Ирландией и Ньюфаундлендом (Канада) длиной около 4500 км, идея которого возникла в США и Англии в середине XIX в. после создания Вернером Сименсом технологии изоляции кабеля гуттаперчей [7]. К решению проблемы был привлечен знаменитый английский ученый Уильям Томсон (William Thomson), в течение 53 лет занимавший кафедру физики университета Глазго, известный работами по термодинамике и электродинамике и называемый также отцом точных электрических измерений (рис. 9) [2, 4 , 8].

Приняв RC-модель длинной линии, Томсон теоретически показал, что ее быстродействие определяется электрической постоянной времени (пропорциональной квадрату длины линии) и электромеханической постоянной времени гальванометра (пропорциональной моменту инерции подвижной части). Это помогло ему сконструировать зеркальный гальванометр (1) (рис. 10): подвижная часть массой всего 65 мг представляла собой магнит на шелковой нити с приклеенным зеркальцем, луч от которого перемещался по удаленной шкале (2). Зеркальце подсвечивалось лампой (3). Для обеспечения демпфирования подвижная часть помещалась в герметичный стеклянный цилиндр регулируемого объема воздуха. Гальванометр мог измерять ничтожные токи до 2?10 –11 А.

Рис. 10. Гальванометр Томсона

Несмотря на это, передача первой телеграммы в 98 слов, которую послала английская королева в США в 1858 г., заняла более 16 часов. Из-за обрывов кабеля линия была окончательно проложена лишь с пятой попытки — в 1866 г., с помощью крупнейшего по тем временам парохода Great Eastern. Королева посвятила Уильяма Томсона в рыцари, а позднее пожаловала ему титул лорда Кельвина. Для ускорения передачи телеграмм Томсон изобрел пишущий гальванометр, а затем и струйный принтер, в котором струя заряженных чернил отклонялась электростатическим полем. Для измерения сопротивления кабеля он использовал специальный мост, называемый теперь мостом Кельвина [5]. Помимо этого, Томсон создал много других прецизионных приборов, включая электрометры чувствительностью до 10 мВ, морской компас, звуковой глубиномер и др. Все они были запатентованы и приносили Томсону существенный доход. Также он внес огромный вклад в создание международной системы единиц измерения SI, в которой единица термодинамической температуры названа в его честь — кельвин (°K).

Читайте также: