介绍
欧姆在很多方面的科学贡献都是极其巨大的，他的实用价值是无法估量的。
陈冠荣| 作者
基本电路中电流、电压、电阻的关系为：电流=电压÷电阻。 这就是电学中最基本的“欧姆定律”：在常温条件下，流过某一导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体本身的电阻成反比。 其中，电流的单位为安培（A），电压的单位为伏特（V），电阻的单位为欧姆（Ω）。 这种关系之所以被称为欧姆定律而不是安培定律或伏特定律，是因为它是由欧姆发现的。 至于其单位符号，用Ω代替O，只是因为后者容易与“零”混淆。 另外，Ω的第一个字母，即Omega，恰好是O。
有趣的是，这个公式非常国际化：沃尔特（Volta，1745-1827）是意大利物理学家，安培（André-Marie Ampère（1775-1836）是法国物理学家，乔治·西蒙·欧姆（Georg Simon Ohm，1789-1854）是德国物理学家。
图1 欧姆肖像
一
欧姆于 1789 年 3 月 16 日出生于德国巴伐利亚州埃尔兰根的一个新教家庭。 他的父亲约翰（1753-1822 年）是一位世袭锁匠，母亲玛丽亚·贝克（1763-1799 年）是裁缝大师的女儿。 欧姆是七个兄弟姐妹中的长子，其中四人不幸在童年时期去世，留下他、他的兄弟马丁（欧姆，1792-1872 年）和妹妹伊丽莎白（B. 欧姆，1794-1872 年）。 同样不幸的是，孩子们还不到十岁时，母亲就去世了。
欧姆的父母从未接受过正规教育。 我的父亲是一个正直、勤奋的人。 他通过自学获得了高水平的数理化知识，足以让孩子接受优秀的家庭教育。 欧姆从11岁到15岁就读，接受了相对系统的知识修养和思维训练。 欧姆15岁时，他和弟弟接受了埃尔兰根大学Karl C. von 教授的采访。 教授发现欧姆兄弟在数学方面有着异常杰出的天赋，并在结论中写道：“锁匠之家将诞生又一对伯努利兄弟。” 后来，他的弟弟马丁成为了柏林军事学院著名的数学教授，而他哥哥的故事则更加精彩，但也更加曲折。
1805年，16岁的欧姆进入埃尔兰根大学学习数学和物理。 然而，欧姆并没有专注于他的学业。 他大部分时间都在跳舞、滑冰和打台球。 当他的父亲知道后，非常生气，并于第二年把他送到瑞士，让他远离那些顽皮的朋友。 欧姆在一位书商的协助下，在尼道市一所牧师开办的学校担任数学导师。 很快，牧师兼校长写信给书商的推荐人，说道：“当我第一次看到这个十八岁的男孩时，我简直不敢相信他就是你推荐的老师。不过，我很快就相信了。他的优点和能力。”
然而，欧姆在一年多后放弃了这个职位，搬到纳沙泰尔的一所私立学校学习数学和法语。 此时，冯·朗斯多弗教授决定到海德堡大学任教。 教授与欧姆保持联系，并敦促他阅读莱昂哈德·欧拉（ Euler，Euler，1707-1783）、皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（-Simon ，-Simon，1749-1827）和西尔维·拉克鲁瓦（F. ，1765-1843）的数学著作。
1811年初，欧姆回到埃尔兰根大学。 10月25日，他凭借毕业论文《光与色彩》（Licht und）获得哲学博士学位。 此时，他的研究方向仍然是物理，主要是力学和光学，尤其是彩色光学。 尽管他继续学习了一些数学课程，但经济拮据迫使他放弃了对高等数学的追求。
1812 年 7 月 28 日，欧姆写信给巴伐利亚国王路德维希一世（I，1786-1868），请求担任教职。 12月16日，国王任命他为班贝格大学学生会导师。 然而，他在那里的生活并不如意，因此他多次写信给国王和当局，要求迁居。 但这一次事情并没有按预期进行，没有结果。
1817 年，欧姆出版了他的第一本书《在预科学校正确设置几何课程作为向高等教育过渡的指南》(zu einer äßigen der als höheren an)。 他向巴伐利亚国王寄了一份副本，并再次请求他的帮助。 王室回复称，国王未能安排与他会面的时间，但他的书籍已放在图书馆里。
幸运的是，欧姆还将这本书送给了其他几位在位君主，包括普鲁士国王弗里德里希·威廉三世（III，1770-1840）。 普鲁士国王很欣赏欧姆。 于是，同年秋天，欧姆找到了一份新工作，来到了当时普鲁士的一座城市科隆，担任物理和数学的高级教师。 在那里，他得到了大量的空闲时间，尤其是学校实验室充足的物理设备，使他能够很好地研究电学。
随后欧姆全身心投入到他最喜欢的教学和科学研究中。 在教学上，他认真上课，积极引导学生朝着理想的人生发展。 他获得了学校颁发的特别奖。 在科学研究方面，长期以来，他选择在数学和物理之间交替探索。 当时，尽管他的认真努力几乎没有得到赏识，而且他意识到自己永远不会结婚，但他仍然决心致力于科学。 当时，他的首要目标是彻底解释电路原理。
欧姆首先开始研究电流产生的电磁力的增减与导线长度的关系，并于1825年5月发表了他的第一篇论文。不过，后来发现文章中的公式是错误的。 主要原因是电流测量仪器的不准确和伏打电池电压的不稳定。 另外，当时人们还没有反抗的概念。 欧姆仅用于金属电导率。 在计算的基础上进行了实验分析。
1826年，欧姆改进了电流检测器欧姆接触(Ohmiccontact)物理知识大全，采用了稳定的电源，随后通过更加准确可靠的实验导出了新的电定律。
1826年4月，欧姆意识到，如果他能彻底摆脱教学的束缚，他就有足够的时间建立完整的电路基础理论。 作为一个年轻人，他相当自负，对此深信不疑。 于是他非常有礼貌地向学校提出申请，并获准休教一整年。 他离开科隆，来到柏林哥哥的家中。 欧姆这一年休息期间最重要的成就是1827年5月在柏林出版了一本新书《Die Kette》。这本书综合了他在1825年和1826年发表的两篇论文，完整地描述了他发现的电学定律。 欧姆的重要著作后来于 1841 年被翻译成英语，1847 年被翻译成意大利语，1860 年被翻译成法语。
图2 欧姆1827年出版的书《电流的数学计算》
欧姆在书中正式介绍了“电阻”的概念，并详细描述了他的新电学定律。 然而，当这个“欧姆定律”问世时，却陷入了困境。 尽管该定律很快被实验物理学家 (T., 1801–1887)、 WA Pfaff (1774–1835) 和 (C., 1796–1877) 采用，但遭到了截然相反的反应来自其他一些物理学家。 路德维希·卡姆茨（ Kämtz，1801-1867）首先提出了较为温和的批评，随后格奥尔格·F·波尔（Georg F. Pohl，1788-1849）表达了强烈的反对。 玻尔甚至在《Jahrbücher für》（科学批判年鉴）上发表文章严厉批评欧姆提出的概念和定律，让欧姆不得不做出强烈回应。
当时遭到强烈反对的原因是，一方面，欧姆写的数学分析相当复杂、混乱，未能清楚地表达自己的想法； 另一方面，欧姆的结论与当时物理学界公认的常识相反，即电池产生的电流与电势无关。 冲突如此激烈，以至于欧姆与物理学界一些同事的友谊和合作破裂了，这让欧姆非常沮丧。 欧姆最终放弃了在科隆的工作，从1827年到1833年退休回到家乡，无视所有的评论和批评。 那时，他的生活十分贫困。
1833年，巴伐利亚国王路德维希一世在需要人选的时候想到了欧姆，并立即任命他为纽伦堡理工学院的物理学教授。 这一举动让欧姆的工作和生活恢复了正常。 1835 年，欧姆被任命为巴伐利亚科学教育督察和埃尔兰根大学高等数学系主任。
1827年欧姆的书出版后，“欧姆定律”在他不知情的情况下受到了多方面的检验。 1831年至1837年间，法国索邦大学物理学家克洛德·普耶（欧姆接触(Ohmiccontact)物理知识大全，SM，1790-1868）通过各种实验有效证明了这一定律的正确性。 据说，普耶如此专注于他的实验，他几乎以为自己发现了规律。
在长达十多年的关于欧姆定律的激烈争论中，欧姆从未放弃，尽管他后来放弃了参与。 事实上，最后欧姆赢了，但过程却相当戏剧化。
故事始于英国电气工程师威廉·斯特金（ ，1783-1850 年），他因 1825 年发明电磁铁而闻名。1836 年，斯特金创办了一本杂志《电、磁和化学年鉴》（ of , and ，包括 、 和 ），并于1837 年，他出版了居住在德国的俄罗斯工程师 H. （H.，1801-1874 年）的著作。 翻译一篇有关电动机的文章。 这位工程师的兄弟是著名数学家卡尔·G·J·雅可比（Carl GJ ，1804-1851 年），他为他的兄弟写了一篇关于电动机数学理论的笔记。 在文中，他清楚地描述并应用了欧姆定律。 他写道：“欧姆先生建立的理论......非常简单，并且与我对伏打电池所有现象的理解非常一致，因此我毫不犹豫地采用了它。”
1838年，伦敦国王学院教授、英国皇家学会院士查尔斯·惠斯通（ ，1802-1875）作为英国科学促进会编委会成员，主持翻译出版了欧姆1827年的著作。 这个翻译使许多英国科学家熟悉、支持甚至钦佩欧姆及其定律。 后来，在解释他著名的“惠斯通电桥”时，惠斯通明确表示：“我描述的仪器和过程都是基于欧姆在他的伏打电池理论中建立的原理，这是一个完整而美丽的理论。”
1841年，欧姆终于取得了最后的胜利。 伦敦皇家学会授予他科普利奖章，这是该学会的最高科学奖项，以表彰他发现新的电定律。 评奖委员会作出最终决定，正式宣布是欧姆首先确立了这一非常重要的电路基本定律。 次年，伦敦皇家学会也选他为外籍院士。
值得一提的是，伦敦皇家学会将最高科学奖授予了电路基本定律的三位主角：意大利的伏特（1794年）、法国的安培（1820年）和德国的欧姆（1841年）。 ，而且其中没有英国人。
事实上，这个科普利奖章是一个国际奖项。 它的含金量有多高？ 我们来看看按年份排列的著名获奖科学家和数学家名单：富兰克林、卡文迪什、戴维、法拉第、高斯、韦伯、达尔文、焦耳、冯·亥姆霍兹、西尔维斯特、凯利、开尔文勋爵、赫胥黎、斯托克斯、维尔斯特拉斯、罗利勋爵、吉布斯、门捷列夫、华莱士、克莱因、巴甫洛夫、卢瑟福、爱因斯坦、霍普金斯、普朗克、玻尔、摩根、哈代、狄拉克、利特尔伍德、阿蒂亚、霍金、罗伯特·梅、希格斯、威尔斯、古迪纳夫，等等。
自此，欧姆定律正式确立，它适用于所有纯电阻类型的导电系统，包括金属和电解质。 很快它的用途就扩展到了更广泛的电气工程领域，首先从金属导体延伸到电解质，然后延伸到电介质、电弧线，最后延伸到热电子管。 而且，通过数学推导，将电感、电容、电阻统一在欧姆定律之下。 当然，后来了解到欧姆定律在极低的温度以及气体和半导体等介质中并不成立，但这与本文的故事无关。
图3 欧姆使用的实验仪器（德国博物馆）
以欧姆定义的电阻自然就是“正电阻”。 但物理学家立即想到了相反的情况。 1896年夏天，英国学术界就电弧线是否存在“负电阻”展开了热烈的讨论。 这场争论是由英国皇家学会会员、电气工程师西尔瓦努斯·汤普森（ ，P.，1851-1916）在伦敦物理学会的一次会议上发起的，他持消极的一方。 英国皇家学会院士、电气工程师威廉·埃尔顿（ Elton，1847-1908 年）对此提出了强烈反驳。 两个团队经过数周的激烈辩论后，决定将此事提交给备受尊敬的数学家、物理学家和电气工程师奥利弗·赫维赛德（ ，1850-1925 年）。 7 月 28 日，赫维赛做出以下裁决：
有人问我对消极抵抗有何看法。 我的意思很简单，如果一个物体确实遵循欧姆定律，电压V=RI，焦耳定律，热量H=I2Rt，但电阻R是负而不是正，那么它就有负电阻。 一些讨论负电阻（和其他量）影响的论文引起了我的注意，其中的论点很有趣且具有启发性。 但由于它们普遍不稳定，我对物体永久负电阻的可能性没有任何信心。 不过，我并不打算否认，某种物质在适当的情况下，特别是处于物质不断变化的状态下，可能会暂时表现出近似负的电阻。 ……至于从这个角度看弧线是否方便，这不是我能说的，因为我对弧线了解不够。
图4 欧姆的三个主要著作
欧姆完成新电定律的工作后，他将注意力转向分子物理学。
1845年，欧姆当选为巴伐利亚科学院院士。 直到 1849 年，他一直与纽伦堡理工学院保持联系，在此期间他还担任校长。 1849年，他被巴伐利亚国王马克西米利安二世（II，1811-1864）任命为慕尼黑大学物理学教授，并被巴伐利亚科学院任命为数学和物理系主任。 此外，他还担任国家电报开发项目的顾问。 这些多重责任阻止了欧姆继续他的分子物理学研究。 1849年，作为其阶段性研究成果的总结，欧姆出版了《对分子物理学的贡献》（Beiträge zur -）一书。 1852年，欧姆晋升为慕尼黑大学物理学讲座教授。
图5《欧姆的综合分析》（1892）
1892年，诺贝尔物理学奖获得者、慕尼黑大学教授欧根·C·J·冯（Eugen CJ von，1837-1899）编辑出版了《欧姆的综合分析》（von GS Ohm）一书，该书收录了欧姆三十多年来的主要研究成果，共有23章855页。 本书涵盖的主题相对较少，但介绍完整且透彻。 它向世界表明，欧姆的目标从一开始就很明确。 他决心建立金属导体中的电流定律。 欧姆还研究了为金属导体建立的电流定律是否也适用于液体的问题，并得到了肯定的答案。
二
欧姆的其他一些科学贡献也值得一写。
1822 年，约瑟夫·傅立叶（ ，JB，1768-1830）发表了他的著名著作《热分析理论》（Théorie de la ）。 这本书适时地影响了欧姆。 欧姆认为傅立叶和西蒙-丹尼斯（1781-1840）的热传导方程也可以应用于电力的传播，并写出了相应的微分方程。 后来，詹姆斯·麦克斯韦（James C. ，1831-1879）充分肯定了欧姆的工作，但他认为欧姆对电和热的类比是不恰当的。 不过，麦克斯韦指出，虽然欧姆的观点本身是错误的，但他用傅里叶方程来表达长导线的传导定律是正确的。 赫维赛同意麦克斯韦的观点，解释道：“为什么欧姆用错误的方法得到了正确的结果？原因很简单：要么电流存储在电线的材料内部，要么到达电线的表面并停留在那里，它们的方程形式完全相同。”
欧姆还花了很多时间试图解释柏林大学物理学教授 JP Adolf Erman（1854-1937）关于“单极”导体（即只有“正极”或“负极”极的导体）的实验。存在问题。 欧姆声称，通过实验，他发现了一类完美导体，比其他导体更容易导电。 例如，他将两根金属线放入一块非常干燥的碱性肥皂中，每根金属线都连接到电池的一个电极。 他发现，当肥皂与导电体接触时，负极就会放电； 当除去肥皂并将负极接地时，正极获得相应的电位。 他用磷火、酒精火焰和其他火焰进行的实验都发现了相同的结果，只不过观察到正极在火焰中放电。 为此，他引入了“单极正”和“单极负”的术语。 1830年，欧姆就这个问题写了一篇论文，发表在《化学年鉴》（der）上。
由于各种原因，整个欧洲有关这一主题及相关主题的文献长期占据了许多杂志的版面。 1838年，法拉第在《实验研究》（）中也认真讨论了磁单极子，但他指出：
如果存在一个单极子，一个可以传导一种电但不能传导另一种电的单极子，那么我们就会期望这种类型的单一电流具有许多新颖的特征。 它们应该很特别，不仅与普通电流不同，因为那么普通电流应该有两种不同的电流同时从相反的方向等量流动，而且彼此不同！ 然而，安东尼·贝克勒尔（ ，C.，1788-1878）、托马斯·安德鲁斯（ ，1813-1885）等人逐渐对这种非同寻常的事实给出了更加正确的解释。 我知道欧姆教授在仔细检查所有现象的过程中完善了这项工作。 然而，在证明类似的现象可以发生在良导体上之后，他实际上证明了肥皂等许多效应只是电解进化的结果。
此后，对单极导体的研究逐渐消失。
当年，欧姆正确地发现导体的电阻与其长度成正比，与其截面积和电导率成反比； 并且在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上移动，而且在导体的整个横截面上移动。 然而，当时的人们并没有意识到欧姆的发现为无数与功率传播相关的问题提供了理论基础。
还值得一提的是欧姆对声学的贡献。 1839 年至 1843 年间，欧姆在《物理化学年鉴》(der und) 上发表了多篇关于声学的论文。 他的研究导致了组合音高定律的建立。 欧姆指出，人耳就是通过这个定律来分析声音的。 他认为耳朵只能从空气的特定运动中获得音高感，空气中的粒子像钟摆一样振荡。 这条“声学欧姆定律”统一了当时人们对声学混乱的认识，其对物理科学许多后续应用和发展的影响随处可见。 然而，欧姆声学定律因其数学表达式的含糊性而遭到德累斯顿理工学院物理学家 （LFW，1805-1849）的强烈抵制。 欧姆被证明他的数学表达式存在一些错误和遗漏，最终自己放弃了。 此后，直到欧姆死后八年，这条法律几乎被完全遗忘。 到了 1862 年，赫尔曼·冯·亥姆霍兹（ von ，1821-1894）在他的著作《论调性的感知作为音乐理论的生理学基础》（Die Lehre von den als）中成功地运用了欧姆的理论。 该理论解释了泛音与音乐之间的关系，从而重新引起人们对欧姆声学定律的关注。 冯·亥姆霍兹在书中指出，根据欧姆定律，音乐中每一个音调组合所对应的空气运动都可以分解为简单振动的总和，而每一个这样的简单振动都对应着一个简单的音调。 耳朵对这些音调敏感，这些音调由空气相应运动的周期时间决定。 冯·亥姆霍兹的这本著名著作使欧姆声学定律重新焕发活力。
最后，有几个以欧姆命名的对象和术语值得一提。
除了众所周知的用于测量电阻的“欧姆表”（）外，还有其他“欧姆器件”（Ohmic），它们是遵守欧姆定律的各种器件。
“欧姆接触”（Ohmic）是两个导体之间的非整流电结，具有符合欧姆定律的线性“电流-电压”曲线。 低电阻欧姆接触允许电荷在两个导体之间双向流动，而不会产生过多的功耗，甚至不会因整流或电压阈值而造成阻塞。
欧姆加热，也称为焦耳加热或电阻加热，是让电流通过食物或其他材料来加热它们的过程。
“欧姆杀菌”是利用电极直接将50-60Hz低频交流电引入食品原料中进行欧姆加热，从而达到杀菌效果。 采用欧姆加热灭菌可以实现比常规方法更快的加热速率，缩短加热灭菌时间，获得更高质量的产品。
三
1854 年 7 月 6 日，欧姆不顾身体不适，参加了一个学术会议并发表演讲。 当晚，他意外中风在家中去世，享年65岁，葬于慕尼黑郊区的一处墓地。
纵观欧姆的一生，他在很多方面都做出了极其巨大的科学贡献，其实用价值是不可估量的。 欧姆毕生的科学研究态度更值得后人学习和效仿。 综上所述，他在做研究时始终遵循这样的思维原则：实验证明的真理是不可否认的，基于假设的断言只有得到观察的证实才应该被接受； 当理论能够准确地证明计算形式之前，它是不可靠和不完善的，因此数学计算是检验理论假设的试金石。 他的实验理念是：如果还没有精确的测试结果，最好推迟判断，直到有优秀的数据支持为止。
图6 欧姆雕像（慕尼黑工业大学校园）
