Георг
Ом. Нелегкий шлях до слави
Ян Шнейберг
Кожен школяр добре знає фундаментальний закон електричної
ланцюги, відкритий видатним німецьким вченим Георгом Омом. Просте на перший погляд
співвідношення між електричним струмом, напругою та опором, встановлене
Омом, вимагало від нього не тільки глибоких знань, а й величезної багаторічного
праці, завидного майстерності експериментатора і дивовижною наполегливості у досягненні
мети. Багато великих вчені з недовірою поставилися до відкриття невідомого шкільного
вчителя фізики і математики.
Протягом понад чверть століття після створення першого
джерела електричного струму - вольтова стовпа (1799 р.) - багато фізиків помилково
вважали, що провідник є «чисто пасивною частиною електричного кола».
На жаль, західноєвропейські фізики не були знайомі
з роботою російського фізика Василя Петрова «Известия про гальванічні-вольтовскіх дослідах ...»,
в якій був вперше використаний термін «опір» і доведено, що величина
електричного струму залежить від площі поперечного перерізу провідника. Як стверджував
англійський журнал Science Progress, своїми дослідженнями Петров «передбачив закон
Ома ». Зауважимо також, що вчений не мав ніяких електровимірювальних приладів і
про величину струму судив по інтенсивності процесу електролізу в різних рідинах.
Ом був одним з перших дослідників, які зайнялися встановленням
кількісних закономірностей в електричних ланцюгах. Це виявилося далеко не легкою
завданням. Не було відомо, які величини потрібно виміряти, поняття про напруження і
опір провідників не були загальноприйнятими, а багатьом фізикам взагалі невідомі.
Властивості перший джерел електричного струму також не були достатньо вивчені,
не існувало і приладів для вимірювання електричних величин. Ряд вчених (Х. Деві,
А. Беккерель та ін) робили спроби знайти співвідношення між величинами, що характеризують
процеси в електричних колах, але тільки Г. Ому вдалося встановити основний закон
електричного кола.
Син слюсаря стає доктором філософії
У березні 1787 р. в німецькому місті Ерлангені в сім'ї потомственого
слюсаря народився хлопчик, названий Георгом, якому судилося прославити на
століття скромну династію Омов.
Георга Мати померла, коли йому ледь виповнилося 10 років,
тому вихованням сина займався батько - майстер ковальства і слюсарного справи, що відрізнявся
завидною прагненням до знань і зумів виховати ці якості у двох своїх синів,
які пізніше стали відомими вченими. Завдяки батькові Георг вміло користувався
слюсарним інструментами, що дуже в нагоді майбутньому молодому дослідникові
при виготовленні різноманітних приладів і пристроїв.
Батькові вдалося запросити кількох професорів Ерлангенского
університету допомогти його синам оволодіти основами математики, фізики та філософії.
Це дозволило Георгу блискуче закінчити міську гімназію.
Збереглося цікаве свідчення професора математики
Ерлангенского університету К. Лангсдорф, складали іспити в червні 1804 п'ятнадцятирічного
Георга: «Протягом п'ятигодинний бесіди я перевірив його знання з усіх розділів елементарної
математики, арифметики, геометрії, тригонометрії, статики та механіки, а також з'ясував
його знання в галузі вищої геометрії та математичного аналізу. На всі мої питання
я отримав швидкі і точні відповіді. Майже переконаний, що обидва брати з цієї сім'ї стануть
не менш знаменитими, ніж брати Бернуллі; володіючи такою ретельністю і маючи такий талант,
вони збагатять науку, якщо знайдуть відповідну увагу і підтримку ». Яким дивним
провидцем виявився професор Лангсдорф!
відгук відомого професора означав зарахування Георга Ома
в Ерлангенскій університет. Після закінчення гімназії навесні 1805 Георг стає
студентом філософського факультету і з захопленням продовжує заняття математикою,
фізикою і філософією.
В університеті Ом виділяється не тільки глибокими знаннями
і природного обдарувань, а й своїми спортивними успіхами і артистизмом: він кращий
ковзаняр і більярдіст університету, а в танцях на студентських вечірках йому
немає рівних. І в цьому він багатьом був зобов'язаний батькові, який привчав своїх дітей до спорту,
здійснював з ними далекі прогулянки, захоплюючи красою навколишньої природи. Батько навіть
придумав найпростіші вимірювальні інструменти, займаючись з дітьми землемірні розрахунками:
вони визначали площі ріллі, обчислювали і складали схеми доріг та їх протяжність.
Протягом трьох семестрів Ом успішно освоює курс наук,
але, розуміючи матеріальні труднощі батька, вирішує почати працювати, щоб підтримати
сім'ю. Восени 1806 Георг приймає запрошення на посаду вчителя математики
у приватній школі швейцарського містечка Готтштадта. Початківцю педагогу ледь виповнилося
17 років!
Проводячи заняття зі школярами, Георг продовжує вдосконалювати
свої знання з математики, фізики, хімії та філософії, вивчає праці корифеїв науки
- Ейлера і Лапласа.
Через п'ять років, в 1811 р., Ом повертається в Ерлангенскій
університет; самостійно набуті знання дозволили йому успішно закінчити
навчання, захистити дисертацію, отримати ступінь доктора філософії.
Молодого доктора зараховують на посаду приват-доцента
кафедри математики університету. Він захоплюється педагогічною діяльністю, але
постійний брак грошей змушує його шукати більш високооплачувану роботу.
За рекомендацією проректора університету у 1813 р. Ома беруть вчителем математики
і фізики в школі міста Вамберга (Баварія).
З юних років Ом звик творчо ставитися до будь-якої роботи.
Незабаром він звертається до адміністрації школи з пропозицією реорганізувати систему
викладання математики і в 1817 р. публікує першу друковану роботу з викладенням
нових методів навчання та розвитку в учнів «здатності до математичного мислення».
І хоча спочатку його ідеї не отримали належного визнання, через кілька років вони
були високо оцінені, і Ом був удостоєний почесної премії.
У пошуках більш цікавого місця роботи Ом надходить у
вчителем математики і фізики в одну з відомих шкіл м. Кельна, що мала
гарну експериментальну лабораторію. Тут Ом опинився у своїй стихії: весь вільний
час він проводить у лабораторії, ремонтуючи старі і створюючи нові прилади. Ось
тут-то йому у пригоді досвід «потомственого слюсаря» і неабиякого конструктора-винахідника.
У ті роки, як і багато здібних молоді вчені, Ом захоплюється
електротехнічними і магнітними явищами, ремонтує електростатичну машину,
виготовляє кілька електроприладів. У 1812 р. Ом писав батькові, що продовжує
студіювати класичні праці Лапласа, Лежандра, Лагранжа, Біо і весь свій час
віддає «вивчення нещодавно відкритого явища електромагнетизму». Ом вважав, що в
той час найменш розробленою була проблема гальванічного струму, і в цій області
він «... найменше міг побоюватися конкуренції».
Перш за все потрібно було розібратися в особливостях різних
джерел електричного струму, зрозуміти, які фізичні величини характеризують
їх інтенсивність і надійність. Вже було відомо, що провідники, що з'єднують полюса
джерел струму, нагріваються в залежності від площі пластин вольтова стовпа. Важливо
було з'ясувати, як впливають на температуру нагрівання провідників їх довжина і вид металу,
чому час розрядки батареї залежить від матеріалу провідників. Мабуть, вони
розрізняються по здатності проводити електрику.
Спочатку Ом зайнявся визначенням електропровідності дротів
з платінірованной міді різної довжини, що мають однакове поперечний переріз.
Як вже зазначалося, можна тільки шкодувати, що Ому, як і іншим європейським фізикам,
не були відомі дослідження явищ в електричних ланцюгах, опубліковані ще
в 1802 р. російською мовою видатним фізиком В.В. Петровим.
Але Ом, звичайно, був знайомий з відкриттям датського фізика
Г.Х. Ерстеда (1819 р.), який довів дію електричного струму на магнітну стрілку.
Він також знав про створення найпростішого індикатора електричного струму - мультиплікатора:
магнітна стрілка, поміщена на мідної осі всередині рамки зі струмом, відхилялася.
Але Ому потрібен був прилад, що дозволяв вимірювати величину
електричного струму. І лише неабияка ерудиція і майстерність винахідника-конструктора
дозволили йому вирішити цю нелегку задачу.
Йому були відомі так звані «крутильні ваги», створені
ще в 1784 р. знаменитим французьким вченим і інженером Ш.О. Кулоном
(1736-1806), що досліджували закони кручення металевих ниток для визначення сили
взаємодії електричних зарядів і магнітних полюсів і відкрив закон, що носить
його ім'я.
Але Кулон спостерігав тяжіння і відштовхування кульок, заряджених
статичною електрикою. А як виміряти величину електричного струму?
Створення унікального електровимірювальні прилади
Важко уявити, скільки безсонних ночей провів молодий
вчений, щоб реконструювати «ваги» Кулона. Йому вдалося знайти настільки оригінальне
техніч-ське рішення, що пізніше фізики справедливо назвали установку Ома «перша
приладом для електричних вимірювань ». Головне удосконалення полягало в
те, що замість коромисла з Бузиновий кулькою Ом підвішував на металевої нитки
магнітну стрілку над провідником, по якому протікав електричний струм і за кутом
відхилення цієї стрілки визначав відносну величину струму. Крім того, він переконався
в нестабільності джерела струму - гальванічного елемента, «збудлива сила»
якого змінювалася при його включенні і виключенні. Точність вимірювань також знижувалася
через те, що внутрішній опір батарей було значно більше опору
досліджуваних провідників.
Вдосконалений Омом вимірювальний прилад представляв
собою скляний циліндр (див. малюнок), що мав по колу «градусну» (вимірювальну)
шкалу. Через центральний отвір пропускалася срібна нитка, прикріплена зверху
до мікрометричної голівці q, яку можна повертати в ході експерименту. Внизу
до нитки прикріплювалася магнітна стрілка tt. При проходженні струму по провіднику під
стрілкою нитка закручується, і стрілка відхилялася на певний кут. Обертаючи
верхню вимірювальну головку, Ом повертав магнітну стрілку у вихідне положення
і точно фіксував кут її відхилення. Щоб уникнути помилки він встановив невелику
лінзу l, щоб краще бачити «візирним лінію».
У початкових експериментах, коли джерелом струму служила
гальванічна батарея, про недоліки якої вже було сказано, результати вимірювань
виявилися неточними. Перша стаття Ома з дослідження провідності різних металів
і залежності кута відхилення магнітної стрілки від площі поперечного перерізу провідника
була опублікована в «Журналі фізики та хімії» у 1825 р. під назвою «Попереднє
повідомлення про закон, за яким метали проводять контактна електрику ».
І хоча Ом встановив важливий факт, що дроту одного і
того ж матеріалу, що розрізняються площею поперечного перерізу, мають «... однакову
провідність, якщо їх довжини пропорційні їх поперечним перетинах », запропонована
їм формула виявилася невірною. До речі, Ом сам розумів неточність своїх експериментів,
не випадково назвав свою статтю «попереднім повідомленням». Потрібно визнати, що
Омом допущені помилки пізніше стали однією з причин недовіри до його подальшим
публікацій. Але Ом не був би Омом, якби «опустив руки» від перших невдач, навпаки,
він вирішив продовжити свої дослідження.
Ми свідомо детально описуємо творчі пошуки Ома,
щоб підкреслити, особливо для початківців дослідників нових явищ, по-перше,
наскільки нелегкий шлях до пізнання істини, по-друге, необхідність вміння аналізувати
причини невдач і знаходити способи подолання неминучих труднощів у процесі
досліджень.
У першу чергу Ом вирішив позбутися від головної причини
помилок - гальванічної батареї, «збудлива сила» якої помітно зменшується зі
часом. Він замінив батарею термоелементів, скориставшись відкриттям професора
Берлінського університету Т. І. Зеєбека в 1821 р. явища «термоЕРС» - виникнення
електричного струму в замкнутій ланцюга при охолодженні або нагріванні спаяний двох різнорідних
металів, наприклад, мідної та вісмутовой пластин. Цей елемент відрізнявся помітно
більшою стабільністю, а його внутрішній опір було значно менше, ніж
в гальванічної батареї.
термоелемент складався з пари металів мідь - вісмут. Вісмутовая
смуга термоелемента abb'a 'вигиналася у вигляді витягнутої літери «П», а до її кінців
пригвинчувати мідна полоса1. Дві мідні шини k своїми кінцями dd 'опускалися в
чашки з ртуттю mm ', до яких підводилися захищені кінці досліджуваних провідників.
Результати численних вимірів Ом виклав у статті
«Визначення закону, за яким метали проводять контактна електрика, разом
з начерком теорії вольтаіческого апарату і мультиплікатора Швейггера », опублікованій
у вже згадуваному «Журналі фізики та хімії» в 1826 р.
Багаторазово повторюючи експерименти з провідниками різної
довжини і товщини, Ом склав докладні таблиці і встановив раніше невідомий закон
про пропорційність сили струму і «збудливою силою» (напруги). Крім того,
він довів, що за цим законом «... можна розраховувати електричні ланцюги незалежно
від матеріалу провідника ».
Але особливо важливе спостереження Ома полягала в наступному:
змінюючи довжину замикає ланцюга дроту, він довів, що, висловлюючись сучасною
термінологією, сила струму в ланцюзі з постійним джерелом ЕРС обернено пропорційна
опору ланцюга. Так звучить вже знайома нам формула закону Ома, вперше опублікована
їм в 1827 р.
експериментів Ома, здавалося, не буде кінця, це підтверджує
його невпинне прагнення проникнути в глибину фізичних процесів в електричних
ланцюгах. Він досліджує його силу струму по магнітному дії (відхилення магнітної стрілки)
і за його хімічним дії (зокрема, за обсягом газів при електролізі води)
і доводить їх еквівалентність.
Але, на жаль, і на цей раз «вчений світ» не оцінив відкриття
Ома. Як писав один з біографів вченого, «вираз, знайдене Омом, було настільки
простим, що саме своєю простотою викликало недовіру », не були, звичайно, забуті
і перші невдалі публікації молодого вченого. Крім того, перевірити результати
досліджень Ома було дуже важко: його унікальна експериментальна установка відрізнялася
незвичайної для того часу чутливістю, а для проведення самих дослідів були потрібні
і неабиякі здібності експериментатора, і завидною майстерність, і наполегливість
у подоланні труднощів.
Маститі вчені найбільших європейських університетів не
дуже довіряли маловідомому вчителя гімназії, а такі видатні фізики-експериментатори,
як, наприклад, Фарадей і Генрі, не володіли німецькою мовою, дізналися про відкриття
Ома із запізненням, про що дуже жалкували.
Ом відчуває необхідність теоретично осмислити й узагальнити
отримані ним результати. З цією метою в серпні 1826 він насилу домагається
дозволу надати йому річну відрядження до Берліна, де б він міг цілком
присвятити себе «науковим пошукам».
Розуміючи силу і роль теорії у розвитку науки, Ом з головою
поринає в роботу. Свого часу величезне враження на нього справила книга французького
вченого Ж.-Б. Фур'є (1768-1830) «Аналітична теорія тепла», видана в 1822 р.
і отримала високу оцінку фізиків і математиків.
У теорії Фур'є тепловий потік між двома тілами або двома
точками одного і того ж тіла пояснюється різницею температур цих тіл чи точок.
Ому прийшла в голову геніальна думка про можливість аналогії між «тепловим потоком»
і електричним струмом в провіднику, викликаним різницею «електроскопіческіх сил».
Теоретичні узагальнення Ом проводив у фундаментальній праці «Теоретичні дослідження
електричних ланцюгів », що вийшов у травні 1827
За аналогією з формулою, яка виведена Фур'є для теплового
потоку, Ом знаходить формулу для електричного струму.
Очевидно, що ця формула відповідає сучасній запису
закону Ома.
Він вперше в західноєвропейській літературі ввів термін
«Опір», який, як уже зазначалося, за чвертьстоліття до нього застосував
В. В. Петров.
Величина V, названа Омом «електроскопіческой», що характеризує
стан ланцюга в даній точці, за твердженням фізиків, «... дала початок введеному
пізніше в теорію електрики поняттю потенціалу ». У своїй праці Ом вперше широко
застосовує математичні методи аналізу електричних ланцюгів, використовуючи диференціальні
і інтегральні числення, теорію рядів. Його твір по праву вважається першою
теоретичною роботою в області електрики.
Вражають енциклопедичні знання, образність мислення
і наукова інтуїція Ома. Прагнучи до більш доступного викладу відкритого ним закону,
він крім теплової аналогією дивно ефектно використав і гідравлічну (течія
води в трубах). Якщо уявити собі два східчасто розташовані труби однакового
або різного діаметрів, з'єднані короткою похилою трубкою, то швидкість течії
води в горизонтальних трубах буде залежати від різниці рівнів розташування труб
і їх діаметрів. Різниця рівнів можна уподібнити різниці «електроскопіческіх сил»,
а діаметр перетину труби - опору провідника.
Ом вважав, що чим більше «ухил» труби, тим більше швидкість
течії води, і навіть будував спеціальні діаграми, показуючи «ухили» як «причину
струму ».
Підкреслюючи труднощі, які йому довелося подолати,
Ом писав, що його «теорія гальванічного електрики» послужить початком до нових
досліджень, якщо тільки цінність перших отриманих результатів в якійсь мірі
виправдає тих жертв, яких вони йому коштували.
Однак і цього разу Ома надії не виправдалися. У ті роки
у Німеччині панувала натурфілософія, пояснювала досягнення природознавства
на основі об'єктивного ідеалізму і заперечувала математичні методи аналізу експериментальних
даних. Проти натурфілософів виступали такі видатні німецькі вчені, як Р. Майєр
і А. Гумбольдт, які вважали, що ці псевдовчення «затримали розвиток природознавства
в Німеччині на десятиліття ». Цілком зрозуміло, такий видатний вчений-експериментатор,
як Ом, підриває основи натурфілософії, не міг очікувати підтримки від чиновників
і лжевчень.
Запізніле визнання
Мрія Ома стати професором Берлінського університету не
збулася. Тільки в 1833 р. він отримав посаду професора фізики в політехнічної
школі м. Нюрнберга.
Вперше після виходу в світ твори Ома його відкриття
було підтверджено в 1831 р. одним з його однодумців, німецькою
професором Фехнера.
Серед зарубіжних вчених, які визнали закон Ома і використовував
його у своїх дослідженнях, були петербурзькі вчені Е.Х. Ленц і Б.С. Якобі. Ленц
- Ще в 1832 р. при вивченні електромагнітної індукції, а Якобі дав захоплений
відгук про цей закон в 1835 р. у трактаті «Про застосування електромагнетизму для приведення
в рух машин ». Справедливість закону Ома академіки Ленц та Якобі підтвердили
в 1838 р. у своїй спільній роботі «Про закони електромагнітів».
Природно, що і Ленц, і Якобі читали праці Ома в оригіналі.
На англійську мову його робота була переведена тільки в 1841 р., на італійський
- У 1847, на французьку - тільки в 1860 (!).
У зв'язку з цим стався дивний казус. Французька
вчений Пулье, який знав про роботи Ома з деяких теоретичних публікацій в німецькій
друку, вирішив перевірити експериментально висновки вченого і, звичайно, їх підтвердив.
Французькі фізики привласнили його закону ім'я Пулье. Природно, що незабаром Пулье
«Беззастережно визнав пріоритет Ома».
Переклад книги Ома на англійську мову і блискучі відгуки
про нього Ленца і Якобі сприяли офіційного визнання його заслуг. У травні
1842 Лондонське Королівське товариство нагородило Ома найвищою нагородою - Золотий
медаллю Коплі і обрала своїм членом. Пропагандистом ідей Ома в Англії став відомий
творець «містка Уїтстона» - Ч. Уїтстона, а знаменитий американський фізик Дж. Генрі
писав: «Коли я перший раз прочитав теорію Ома, вона мені здалася блискавкою, раптом
освятив кімнату, занурену в морок ». Одна з робіт відомого німецького фізика
Г. Кірхгофа, опублікована ним у 1849 р., мала назву «Про виведення закону Ома»;
Кирхгоф поклав цей закон в основу своїх досліджень.
Майже двадцять років чекав Ом визнання у себе на батьківщині:
лише в 1845 р. він був обраний дійсним членом Баварської академії наук, а в
1847 р., коли йому вже виповнилося 60 років, його запросили на посаду екстраординарного
професора Мюнхенського університету. У тому ж році король Баварії призначив Ома зберігачем
державного Зборів фізико-математичних приладів. Одночасно вчений продовжував
читати лекції з фізики та математики.
Крім досліджень в області електричних ланцюгів, Ом займався
проблемами акустики, поляризації світла, створював оригінальні демонстраційні прилади.
У відповідь на прохання колег Ом написав дуже змістовний і добре ілюстрований
підручник з фізики, проте другий том своєї капітальної праці завершити не встиг
(рукопис його, за розпорядженням короля Баварії, була викуплена у сестри Ома і зберігається
в Баварської державної бібліотеці).
Тільки в 1852 р. за два роки до смерті Ом отримав посаду
ординарного професора, а рік по тому був нагороджений орденом «за видатні досягнення
в галузі науки ». На жаль, багаторічна напруження фізичних і духовних сил
різко позначилося на здоров'я вченого. Усе життя він присвятив науці, йому навіть не вдалося
створити власної сім'ї. Але до останніх днів життя Ом залишався оптимістом, енергійним,
життєрадісним і дотепним людиною, добрим по відношенню до людей, особливо до своїх
учням.
Як писав один з біографів, Ом звичайно «без гіркоти зносив
своє стиснене положення, коли його роботи не були визнані, і не зазнавайся після
того, як його праці отримали міжнародне визнання ».
Важкий серцевий напад навесні 1854 змусив вченого
злягти в ліжко. Відчувши себе трохи краще, він знову почав читати лекції,
але в липні 1854 серце Ома зупинилося. Він був похований на старому кладовищі м.
Мюнхена, і лише через 40 років йому було встановлено пам'ятник.
На той час, нарешті, вийшло в світ повне зібрання його
праць.
Назва Ома увічнено не тільки відкритим їм законом. У
1881 р. на Електротехнічному з'їзді в Парижі було затверджено назву одиниці опору
«Ом». Далеко не всім відомо, що одному з кратерів на зворотному боці Місяця присвоєно
ім'я Ома, поряд з іменами таких великих фізиків, як Планк, Лоренц, Ландау, Курчатов.
Список літератури
1. Лебедєв В. Електрика, магнетизм і електротехніка
в їх історичному розвитку. - М.-Л.: ВНТІ, 1937.
2. Кошманов В.В. Георг Ом. - М.: Просвещение, 1980.
3. Веселовський О.Н, Шнейберг Я.А. Нариси з історії електротехніки.
- М.: Изд-во. МЕІ, 1993.
4. Шнейберг Я.А. Титани електротехніки. - М.: Изд-во. МЕІ,
2004.
Для підготовки даної роботи були використані матеріали
з сайту http://www.connect.ru/
