如今,学过数学的小学生都晓得欧姆定理,但你,晓得它的发觉者是谁吗?
怪奶奶格雷发觉导体和绝缘体的理论后,科学家们纷纷把此理论运用到科学研究中。新的热学成果也不断涌现:电压、电压的概念相续问世,电瓶不断被研制、升级……
在这种新成果中,关于电压与电流关系的理论研究,对当时的科学界帮助最大。好多科学家都关注过这个问题,但始终没找到答案。
当时谁也没想到,一个小学数学班主任竟然通过实验解答了问题。
学校老师迷恋热学实验
日本巴登符腾堡州市乌尔姆主教座堂的北边有一所普通的高中。18世纪初,中学来了一位化学班主任,名叫乔治·西蒙·欧姆(注一)。欧姆是全校公认的“怪人”,不喜吃喝,对着装不讲求,长期穿着一件深红色的围巾。
欧姆像。(网路图)
上课时,让中学生把所有桌子撤走,只留下桌子。避免中学生们爬在桌上猛抄笔记,不随着他的讲话进行思索。语速也不紧不慢,讲一会儿停一会儿,以易于中学生理解。
欧姆狂热地喜欢热学,并把闲暇时间都用在热学实验上。你们都不理解,热学研究是科学家们的事儿,你一个学校班主任瞎掺合哪些?。
好多次实验之后,欧姆与当时的个别科学家一样,开始思索一个问题:伏打电堆组成的电路中,电压的硬度可能随电瓶数目的提高而减小,中间究竟存在哪些样规律?
许久曾经,欧姆就在刊物上看过有人对这个问题进行理论剖析,但没有结果。这注定是一块很难啃的“骨头”。喜欢挑战的欧姆决心通过自己擅长的实验来找寻答案。
五年解决电压量化问题
成功从来不容易。这话在欧姆头上彰显尤为深刻。
要弄清电压硬度与电瓶数目(实际上彰显的是电流)的关系,首先要能测出电压的强弱。而且,当时没有检测电压强弱的仪器。从1817年开始,他仍然试着用电压的热效应等方式来检测电压,但是都失败了。
经过7年的实验与研究,欧姆借助电压的磁效应原理制做了一个电压扭秤。他把n极挂在扭线上,并与通电的导线进行平行放置;之后用水笔在扭线上注明刻度。实验中,当导线有电流通过时,n极偏转就记录在扭线上。
欧姆把电压扭秤用到实验中,解决了电压的量化问题。而且,当他把伏打电堆结入扭秤进行的实验总缔结规律,并写成论文发表后,才晓得自己犯了一个天大的错误。
伏打电堆(网路图)
五年找到稳定电流
原先,人们用伏打电堆进行实验时,因为电堆受湿度影响而形成不稳定的电流,因此用欧姆总结的规律推断出的推论不尽相同。指责的论文和无端的流纷纷而至。好多人都说他谎称内行,有人甚至说,一位小学老师想攻破这世界级的热学困局,简直做梦!
欧姆没有灰心,他将自己关在实验室里反省。总算明白了,自己当年解决电压量化的问题后欧姆,由于实验室里气温基本恒定,估算下来的结果就会是一致的,所以忽视了电流的问题。
“当务之急,是要找到一个电流稳定的电源。”欧姆告诉自己。
通过翻阅资料,欧姆总算发觉了一种能提供稳定电流的电源——塞贝克温差电瓶(注二)。这是一种借助温差将热能转化为电能的装置,发明者是美国化学学家塞贝克。
温差电瓶示意图。(来始于网路)
欧姆把塞贝克温差电瓶的两个接头分别接入100℃的开水和0℃的冰块中,稳定电流有了保障。之后又将电瓶接入电压扭秤,这样就可以进行电压和电流的关系推断。为了研究的便捷,欧姆把物体制约电压大小的能力称为内阻。经过反复实验和精确估算,他总算总结出电压、电压和内阻的关系:同一电路中,导体的电压与导体两端的电压成正比列关系,电压与内阻成反比列关系。这就是知名的欧姆定理欧姆,也是热学史上可谓世界级的成就。
1827年,欧姆出版了数学学著作《伽伐尼电路的物理阐述》。书中详尽记录了欧姆定理的实验基础和原理,并列出了多个用它估算的案例。
欧姆论文中的装置(网路图)
杂记
那位学校班主任穷六年之力总结下来的欧姆定理,开始并没有人认可。有的人觉得此定理太过简单,不能让人信服;有的人仍然不相信一个学校老师能比得过科学家……
对此,欧姆变得十分静谧,他仍然穿着那件蓝短裤,不疾不徐地给中学生授课,闲暇时间仍然做着热学实验。
科学是公平的。1831年,美国科学家波利特在实验中多次引用欧姆定理,最后得出确切的结果。他将此事撰写成文并进行发表,欧姆定理开始遭到人们的注重。随后,化学学家们纷纷把欧姆定理运用到热学、磁学的实验和研究中。
10年后,西班牙皇家学会觉得欧姆定理是“精密实验领域中最突出的发觉”,并给来自异域的小学老师颁授科普利金质奖状。此奖是世界上历史最悠久的科学奖项,每年颁授一次,奖金为一枚镀银铜质奖状和100卢布奖金。发觉绝缘体和导体的怪老头格雷就是第一枚科普利金质奖状的获得者。
科普利金质奖状正面。(网路图)
得奖的欧姆一直变得很静谧。年过六旬的他选择回到埃尔兰根学院教学化学,为故乡发挥余热。他一生已婚,把生命交给了教育和科学。
1864年,为了记念欧姆,美国科学推动会把电磁学中电阻的单位定为欧姆(简称“欧”,符号为Ω)。
同学,当你使用内阻这个术语时,当你为儿子讲解欧姆定理时,是否会想起那位勤劳而古怪,醉心于热学,并全心热爱教育事业的学校数学老师?
欧姆定理公式。(网路图)
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【备注】
1、乔治·西蒙·欧姆(1789年3月16日——1854年7月6日),法国化学学家,发觉了内阻中电流与电流的反比关系,即知名的欧姆定理。欧姆的名子也被用于其他化学及相关技术内容中,例如“欧姆接触”、“欧姆灭菌”、“欧姆表”等。
2、塞贝克温差电瓶,由日本化学学家塞贝克(1770-1831)发明的电瓶。由两种不同金属连接成的回路,当两个接点的气温不同时,回路中便出现电压,存在着温差电动势。这些现象称为温差电效应,这些装置称为温差电偶。