Георг Ом. Нелегкий шлях до слави

Георг Ом. Нелегкий шлях до слави

Ян Шнейберг.

.

Каждый школяр добре знає фундаментальний закон електричної ланцюга, відкритий видатним німецьким ученим Георгом Омом. Просте здавалося б співвідношення між електричним струмом, напругою і опором, встановлений Омом, зажадав від нього не було лише глибоких знань, а й величезного багаторічного праці, завидного майстерності експериментатора та дивовижної наполегливості у досягненні мети. Багато крупні вчені з недовірою сприйняли відкриттю невідомого шкільного вчителя фізики та математики.

На протязі понад чверть століття після створення джерела електричного струму — вольтова стовпа (1799 р.) — багато фізики помилково вважали, що провідник є «суто пасивної частиною електричної ланцюга».

К жалю, західноєвропейські фізики були знайомі з роботою російського фізика Василя Петрова «Вісті про гальвани-вольтовских дослідах…», у якій було вперше використаний термін «опір» і доведено, що обсяг електричного струму залежить від площі поперечного перерізу провідника. Як запевняв англійський журнал Science Progress, своїми дослідженнями Петров «передбачив закон Ома». Зауважимо також, що учений у відсутності ніяких електровимірювальних приладів та величину струму судив за інтенсивністю процесу електролізу у різних рідинах.

Ом був однією з перших дослідників, які зайнялися б встановленням кількісних закономірностей в електричних ланцюгах. Це виявилось не легкої завданням. Немає відомо, які величини потрібно вимірювати, поняття напругу і опір провідників були загальноприйнятими, а багатьом фізикам взагалі невідомі. Властивості перших джерел електричного струму також були буде достатньо вивчено, немає і приладів для виміру електричних величин. Ряд учених (Х. Деві, А. Бекерель та інших.) пробували знайти співвідношень між величинами, котрі характеризують процеси в електричних ланцюгах, але Р. Ому встановили основний закон електричної цепи.

Сын слюсаря стає доктором философии

В березні 1787 р. німецькій місті Ерлангені у ній потомственого слюсаря народився хлопчик, під назвою Георгом, якому було призначено прославити на століття скромну династію Омов.

Мать Ґеорга померла, коли йому виповнилося 10 років, тому вихованням сина батько — майстер ковальського і слюсарного справи, який відрізнявся завидним прагненням знаннями і зумівши виховати що цими якостями двох синів, які згодом стали відомі вчені. Завдяки батькові Георг вміло користувався слюсарними інструментами, що стала майбутньому молодому досліднику під час виготовлення різноманітних приладів та устройств.

Отцу вдалося запросити кількох професорів Эрлангенского університету допомогти його синам опанувати основами математики, фізики та філософії. Це й дозволило Ґеорґу блискуче закінчити міську гимназию.

Сохранилось цікаве свідчення професора математики Эрлангенского університету До. Лангсдорфа, экзаменовавшего у червні 1804 р. п’ятнадцятирічного Ґеорга: «Протягом п’ятигодинний розмови я перевірив її знання за всіма розділами елементарної математики, арифметики, геометрії, тригонометрії, статики і механіки, і навіть з’ясував знання у сфері вищої геометрії і математичного аналізу. На все чимало моїх запитань 2004 року одержав швидкі й точно відповісти. Майже переконаний, що обидві брата з цього сім'ї стануть щонайменше знаменитими, ніж брати Бернуллі; володіючи таким ретельністю і запропонував маючи такий талант, вони збагатять науку, якщо знайдуть відповідне увага фахівців і підтримку». Яким дивовижним провидцем виявився професор Лангсдорф!

Отзыв відомого професора означав зарахування Ґеорга Ома в Эрлангенский університет. Після закінчення гімназії навесні 1805 р. Георг стає студентом філософського факультети й із захопленням продовжує заняття математикою, фізикою і философией.

В університеті Ом виділяється як глибокі знання природною обдарованістю, а й своїми спортивними успіхами та не артистизмом: він найкращий ковзанярем і бильярдист університету, а танцях на студентських вечірках йому немає рівних. І це він багато чим зобов’язаний був батькові, який привчав своїх дітей до спорту, робив із нею далекі прогулянки, захоплюючи красою навколишньої природи. Батько навіть придумав найпростіші вимірювальні інструменти, займаючись з дітьми землемірними розрахунками: вони визначали площі ріллей, вираховували і становили схеми шляхів та їх протяженность.

В протягом трьох семестрів Ом успішно освоює курс наук, але, розуміючи матеріальні труднощі батька, вирішує почати працювати, аби підтримати сім'ю. Восени 1806 р. Георг приймає запрошення посаду вчителя математики у приватному школі швейцарського містечка Готтштадта. Початкуючому педагогові виповнилося 17 лет!

Проводя заняття зі школярами, Георг продовжує удосконалювати знання з математики, фізиці, хімії і філософії, вивчає праці корифеїв науки — Эйлера і Лапласа.

Спустя п’ять років, в 1811 р., Ом повертається у Эрлангенский університет; самостійно набуті дозволили йому успішно закінчити навчання, захистити дисертацію, одержати науковий ступінь доктора философии.

Молодого доктора зараховують посаду приват-доцента кафедри математики університету. Він захоплюється педагогічної діяльністю, але постійний брак грошей змушує його підшукувати більш високооплачувану роботу. За рекомендацією проректора університету у 1813 р. Ома приймають учителем математики і фізики у шкільництві міста Вамберга (Бавария).

С юних літ Ом звик творчо ставитися до будь-якої роботі. Незабаром він звертається до школи з пропозицією реорганізувати систему викладання математики в 1817 р. публікує першу друковану роботи з викладом методів навчання дітей і розвитку в учнів «здатність до математичного мисленню». І хоча спочатку її ідеї не набули належного визнання, кілька років вони були високо оцінені, і Ом удостоївся почесною премии.

В пошуках більш цікавого місця роботи Ом вступає у ролі вчителя математики фізики однієї із відомих шкіл р. Кельна, мала хорошу експериментальною лабораторією. Тут Ом був у своєї стихії: весь вільний короткий час він проведе у лабораторії, ремонтуючи давні листи й створюючи нові прилади. Ось тут-то йому знадобився досвід «потомственого слюсаря» і неабиякого конструктора-изобретателя.

В роки, як і з здатні молоді вчені, Ом захоплюється электротехническими 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 «вивченню недавно відкритого явища електромагнетизму». Ом вважав, що у той час найменш розробленої була проблема гальванічного струму, у цій області він «…найменше міг побоюватися конкуренции».

Прежде всього треба було дати раду особливостях різних джерел електричного струму, зрозуміти, які фізичні величини характеризують їх інтенсивність і надійність. Вже було відомо, що провідники, що з'єднують полюси джерел струму, нагріваються залежно від площі пластин вольтова стовпа. Важливо було з’ясувати, як впливають на температуру нагріву провідників їх довжина й посвідку металу, чому час розрядки батареї залежить від матеріалу провідників. Очевидно, вони різняться за спроможністю проводити электричество.

Вначале Ом зайнявся визначенням електропровідності дротів з платинированной міді різної довжини, мають однакове поперечне перетин. Як зазначалося, можна тільки жалкувати, що Ому, як та інших європейським фізикам, були відомі дослідження явищ в електричних ланцюгах, опубліковані ще в 1802 р. російською видатним фізиком В. В. Петровым.

Но Ом, звісно, обізнаний із відкриттям датського фізика Г. Х. Эрстеда (1819 р.), які довели дію електричного струму на магнітну стрілку. Він також знав з приводу створення найпростішого індикатора електричного струму — мультиплікатора: магнітна стрілка, вміщена на мідної осі всередині рамки із течією, отклонялась.

Но Ому потрібен був прилад, який дозволяв вимірювати величину електричного струму. І тільки неабияка ерудиція і майстерність изобретателя-конструктора дозволили йому розв’язати нелегку задачу.

Ему були відомі звані «крутильные ваги», створені ще 1784 р. знаменитим французьким вченим та інженером Ш. О. Кулоном (1736−1806), исследовавшим закони крутіння металевих ниток для визначення сили взаємодії електричних зарядів і магнітних полюсів, і який відкрив закон, що носить його имя.

Но Кулон спостерігав тяжіння і відштовхування кульок, заряджених статичним електрикою. Але як виміряти величину електричного тока?

Создание унікального электроизмерительного прибора

Трудно уявити, скільки безсонних ночей провів молодий учений, щоб реконструювати «ваги» Кулона. Йому вдалося віднайти настільки оригінальне техниче-ское рішення, що згодом фізики справедливо назвали установку Ома «першим приладом для електричних вимірів». Головне вдосконалення полягала у тому, що замість коромисла з бузиновым кулькою Ом підвішував на металевої нитки магнітну стрілку над провідником, яким протікав електричний струм і з розі відхилення цієї стрілки визначав відносну величину струму. З іншого боку, він переконався в нестабільності джерела струму — гальванічного елемента, «збудлива сила» якого змінювалася за його включенні природи і вимиканні. Точність вимірів також знижувалася тому, що внутрішній опір батарей було значно більше опору досліджуваних проводников.

Усовершенствованный Омом вимірювати представляв собою скляний циліндр (див. малюнок), мав навкруг «градусну» (вимірювальну) шкалу. Через центральне отвір пропускалася срібна нитку, прикріплена згори до микрометрической голівці q, що можна повертати під час експерименту. Унизу до нитки прикріплювалася магнітна стрілка tt. Під час проходження струму по провідника під стрілкою нитку закручувалася, і стрілка відхилялася визначений кут. Роблячи Оберти верхню вимірювальну голівку, Ом повертав магнітну стрілку у початковий становище і фіксував кут її відхилення. Щоб уникнути помилки йому належить невелику лінзу l, щоб краще бачити «візирну линию».

В початкових експериментах, коли джерелом струму служила гальванічна батарея, вади якої було зазначено, результати вимірів виявилися неточними. Перша стаття Ома дослідження провідності різних металів і залежності кута відхилення магнітної стрілки від площі поперечного перерізу провідника була опублікована у «Журналі фізики та хімії» в 1825 р. під назвою «Попереднє повідомлення закон, яким метали проводять контактне электричество».

И хоча Ом встановив важливий факт, що дроту один і тієї самої матеріалу, різняться площею поперечного перерізу, мають «…однакову провідність, якщо їх довжини пропорційні їх поперечним сечениям», запропонована їм формула виявилася зрадливої. До речі, Ом сам розумів неточність своїх експериментів, невипадково назвавши свою статтю «попереднім повідомленням». Слід визнати, що допущені Омом помилки пізніше стали одній з причин недовіри його наступним публікаціям. Але Ом ні б Омом, якби «опустив руки» від перших невдач, навпаки, вирішив продовжити свої дослідження.

Мы свідомо докладно описуємо творчі пошуки Ома, аби підкреслити, особливо початківців дослідників нових явищ, по-перше, наскільки нелегкий шлях пізнання істини, по-друге, необхідність уміння аналізувати причини невдач і шукати способи подолання неминучих негараздів процесі исследований.

В першу чергу Ом вирішив позбутися головною причини помилок — гальванічної батареї, «збудлива сила» якої помітно убуває зі часом. Він замінив батарею термоэлементом, скориставшись відкриттям професора Берлінського університету Т. І. Зеебеком в 1821 р. явища «термоЭДС» — виникнення електричного струму в замкнутої ланцюга при охолодженні чи нагріванні спая двох різнорідних металів, наприклад, мідної і висмутовой пластин. Цей елемент вирізнявся помітно більшої стабільністю, яке внутрішній спротив було значно менше, ніж в гальванічної батарее.

Термоэлемент складався з двох металів мідь — вісмут. Висмутовая смуга термоэлемента abb’a' складалася у вигляді витягнутих літери «П», а до її кінців привинчивалась мідна полоса1. Дві мідні шини k своїми кінцями dd' опускалися в філіжанки з ртуттю mm', яких підбивалися захищені кінці досліджуваних проводников.

Результаты численних вимірів Ом викладав у статті «Визначення закону, яким метали проводять контактне електрику, разом з начерком теорії вольтаического апарату і мультиплікатора Швейггера», опублікованій у вже згадуваному «Журналі фізики та хімії» в 1826 г.

Многократно повторюючи експерименти з провідниками різної довжини і товщини, Ом становив докладні таблиці і встановив раніше невідомий закон про пропорційності сили струму і «збуджуючої силою» (напруги). З іншого боку, він довів, що цього закону «…можна розраховувати електричні ланцюга незалежно від матеріалу проводника».

Но особливо важливе спостереження Ома полягала у наступному: змінюючи довжину останній ланцюга дроту, він довів, що, говорячи сучасною термінологією, сила струму у ланцюги з їх постійним джерелом ЭДС зворотно пропорційна опору ланцюга. Так звучить вже знайома нам формула закону Ома, вперше опублікована їм у 1827 г.

Экспериментам Ома, здавалося, нічого очікувати кінця, це підтверджує його безустанне прагнення поринути у глибину фізичних процесів в електричних ланцюгах. Він досліджує силу струму з його магнітному дії (відхилення магнітної стрілки) і на його хімічному дії (зокрема, за обсягом газів при електролізі води) і доводить їх эквивалентность.

Но, на жаль, на цей раз «вчених» не оцінив відкриття Ома. Як писала одна з біографів вченого, «вираз, знайдене Омом, була настільки простим, що став саме своєї простотою викликало недовіру»; були, звісно, забуті і перші невдалі публікації молодий науковець був. З іншого боку, перевірити результати досліджень Ома дуже важко: його унікальна експериментальну установку відрізнялася незвичайної на той час чутливістю, а проведення самих дослідів були потрібні і неабиякі здібності експериментатора, і завидне майстерність, та наполегливість у подоланні трудностей.

Маститые вчені найбільших європейських університетів не дуже довіряли маловідомому вчителю гімназії, а такі видатні фізики-експериментатори, як, наприклад, Фарадей і Генрі, не які володіли німецькою мовою, дізналися про відкриття Ома із запізненням, про що дуже сожалели.

Ом відчуває необхідність теоретично осмислити і узагальнити отримані результати. Для цього він у серпні 1826 р. використовувати його важко домагається дозволу надати їй річну відрядження у Берлін, де б міг повністю присвятити себе «науковим поискам».

Понимая собі силу й роль теорії у розвитку науки, Ом з головою іде у роботу. Свого часу величезне вразити нього справила книга французького вченого Ж.-Б. Фур'є (1768−1830) «Аналітична теорія тепла», видана 1822 р. і одержала гарну оцінку фізиків і математиків.

В теорії Фур'є теплової потік між двома тілами чи двома точками однієї й тієї ж тіла пояснюється різницею температур цих тіл чи точок. Ому спала на думку геніальна думку про можливість аналогії між «тепловим потоком» і електричним струмом в провіднику, викликаним різницею «электроскопических сил». Теоретичні узагальнення Ом провів у своїй фундаментальній праці «Теоретичні дослідження електричних ланцюгів», яка вийшла травні 1827 г.

По аналогії з формулою, виведеної Фур'є для теплового потоку, Ом знаходить формулу для електричного тока.

Очевидно, що ця формула відповідає сучасної записи закону Ома.

Он вперше у західноєвропейської літературі ввів термін «опір», який, як зазначалось, за століття перед ним застосував У. У. Петров.

Величина V, названа Омом «электроскопической», характеризує стан ланцюзі у даної точці, як стверджують фізиків, «…дала початок запровадженого пізніше у теорію електрики поняттю потенціалу». У його праці Ом вперше широко застосовує математичні методи аналізу електричних ланцюгів, використовуючи диференціальні і інтегральні обчислення, теорію рядів. Його твір з права вважається першої теоретичної роботою у області электричества.

Поразительны енциклопедичні знання, образність мислення і наукова інтуїція Ома. Прагнучи до більш доступному викладу відкритого їм закону, він крім теплової аналогії дивовижно ефектно використовував і гідравлічну (протягом води в трубах). Якщо уявити собі дві східчасто розташовані труби однакового чи різного діаметрів, з'єднані короткій похилій трубкою, то швидкість течії води в горизонтальних трубах залежатиме від різниці рівнів розташування труб та його діаметрів. Різниця рівнів можна уподібнити різниці «электроскопических сил», а діаметр перерізу труби — опору проводника.

Ом думав, чим більше «ухил» труби, то більше вписувалося швидкість течії води, і навіть будував спеціальні діаграми, показуючи «ухили» як «причину тока».

Подчеркивая труднощі, які йому довелося подолати, Ом писав, що його «теорія гальванічного електрики» послужить початком до нових дослідженням, за умови що цінність перших отриманих успіхів у певною мірою виправдає тих жертв, що вони йому стоили.

Однако на цей раз надії Ома зазнали краху. На той час у Німеччині панувала натурфілософія, якою пояснювалися досягнення природознавства з урахуванням об'єктивного ідеалізму і отрицавшая математичні методи аналізу експериментальних даних. Проти натурфілософів виступали такі серйозні німецькі вчені, як Р. Майєр й О. Гумбольдт, які вважали, що це псевдовчені «затримали розвиток природознавства у Німеччині не на десятиріччя». Зрозуміло, такий видатний учений-експериментатор, як Ом, подрывавший основи натурфілософії, було очікувати підтримки від чиновників і псевдовчених.

Запоздалое признание

Мечта Ома стати професором Берлінського університету не збулася. Тільки 1833 р. він отримав посаду професора фізики в політехнічної школі р. Нюрнберга.

Впервые після виходу друком твори Ома його відкриття було експериментально підтверджено в 1831 р. однією з його однодумців, німецьким професором Фехнером.

Среди зарубіжних провідних вчених, визнали закон Ома і застосовували у своїх дослідженнях, були петербурзькі вчені Э. Х. Ленц і Б.С. Якобі. Ленц — ще 1832 р. щодо електромагнітної індукції, а Якобі дав захоплений відгук про цей закон в 1835 р. у своєму трактаті «Про застосування електромагнетизму доведення в рух машин». Справедливість закону Ома академіки Ленц і Якобі підтвердили в 1838 р. у своїй спільну роботу «Про закони электромагнитов».

Естественно, як і Ленц, і Якобі читали праці Ома в оригіналі. На англійська мова його робота було переведено лише у 1841 р., італійською — в 1847, французькою — лише у 1860 (!).

В цьому сенсі стався дивовижний казус. Французький учений Пулье, знав роботи Ома з деяких теоретичних публікацій у німецькій друку, вирішив перевірити експериментально висновки вченого й, звісно, їх підтвердив. Французькі фізики присвоїли його закону ім'я Пулье. Природно, що Пулье «беззастережно визнав пріоритет Ома».

Перевод книжки Ома англійською мовою та блискучі відгуки про неї Ленца і Якобі сприяли офіційного визнання його заслуг. У травні 1842 р. Лондонське королівське товариство нагородило Ома вищою нагородою — Золотий медаллю Копли і обрало своїм членом. Пропагандистом ідей Ома в Англії став відомий творець «містка Уитстона» — Ч. Уитстон, а знаменитий американський фізик Дж. Генрі писав: «Коли вперше прочитав теорію Ома, вона мені видалася блискавкою, раптом осяяли кімнату, занурену в пітьму». Один із робіт відомого німецького фізика Р. Кирхгофа, опублікована їм у 1849 р., називалася «Про виведення закону Ома»; Кірхгоф поклав цього закону основою своїх исследований.

Почти двадцять років очікував Ом визнання на своїх батьківщині: лише 1845 р. він був обраний дійсним членом Баварської Академії Наук, а 1847 р., коли йому вже виповнилося 60 років, його запросили посаду екстраординарного професора Мюнхенського університету. У тому ж року король Баварії призначив Ома хранителем державного Збори фізико-математичних приладів. Одночасно учений продовжував читати лекцій з фізики й математике.

Кроме досліджень у сфері електричних ланцюгів, Ом займався проблемами акустики, поляризації світла, створював оригінальні демонстраційні прилади. У у відповідь прохання колег Ом написав дуже змістовний і добре ілюстрований підручник із фізики, проте другий тому свого капітальної праці завершити я не встиг (рукопис його, з розпорядження короля Баварії, було викуплено в сестри Ома і зберігається в Баварської державної бібліотеці).

Только в 1852 р. два роки на смерть Ом отримав посаду ординарного професора, а через рік нагородили орденом «за видатні досягнення у сфері науки». На жаль, багаторічне напруга фізичних і духовних сил різко позначилося для здоров’я вченого. Завжди присвятив науці, йому вдалося навіть зірвалася створити власної сім'ї. Але до останніх днів життя Ом залишався оптимістом, енергійним, життєрадісним і дотепним людиною, добрим стосовно людям, особливо до своїх ученикам.

Как писала одна з біографів, Ом зазвичай «без гіркоти зносив своє протоки, що його роботи було визнано, і зазнавався після того, як він праці отримали міжнародне признание».

Тяжелый серцевий напад навесні 1854 р. змусив вченого злягти у ліжко. Зніяковівши трохи краще, його знову почав читати лекції, але у липні 1854 р. серце Ома зупинилося. Він був похований на старому цвинтарі м. Мюнхена, і тільки через 40 років їй було встановлено пам’ятник.

К доти, нарешті, побачило світ повне зібрання його трудов.

Имя Ома увічнене як відкритим їм законом. У 1881 р. на Электротехническом з'їзді Парижі було затверджено назва одиниці опору «Ом». Не всім відомо, що одного з кратерів на звороті Місяця присвоєно ім'я Ома, поруч із іменами таких великих фізиків, як Планк, Лоренц, Ландау, Курчатов.

Список литературы

1. Лебедєв У. Електрика, магнетизм і електротехніка у тому історичному розвитку. — М.-Л.: ВНТИ, 1937.

2. Кошманов В. В. Георг Ом. — М.: Просвітництво, 1980.

3. Веселовський О. Н, Шнейберг Я. А. Нариси з історії електротехніки. — М.: Вид-во. МЭИ, 1993.

4. Шнейберг Я. А. Титани електротехніки. — М.: Вид-во. МЭИ, 2004.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.