Георг Ом. Нелегкий шлях до слави

Георг Ом. Нелегкий шлях до слави

Ян Шнейберг

Кожен школяр добре знає фундаментальний закон електричного кола, відкритий видатним німецьким вченим Георгом Омом. Просте на перший погляд співвідношення між електричним струмом, напругою і опором, встановлене Омом, зажадало від нього не тільки глибоких знань, а й величезної багаторічної праці, завидного майстерності експериментатора і дивовижною наполегливості в досягненні мети. Багато видатні 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) - 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 гальвані-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 легким завданням. Не було відомо, які величини потрібно вимірювати, поняття про напругу і опір провідників були загальноприйнятими, а багатьом фізикам взагалі невідомі. Властивості перших 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 ланцюгах, але тільки Г. Ому вдалося встановити основний закон електричного кола.

Син слюсаря стає доктором філософії

У березні 1787 року в німецькому місті Ерлангені в сім'ї потомственого слюсаря народився хлопчик, названий Георгом, якому судилося прославити на століття скромну династію Омів.

Мати Георга померла, коли йому ледь виповнилося 10 років, тому вихованням сина займався батько - майстер ковальського та слюсарної справи, відрізнявся завидною прагненням до знань і зумів виховати ці якості у двох своїх синів, які пізніше стали відомими вченими. Завдяки батькові Георг вміло користувався слюсарними інструментами, що дуже в нагоді майбутньому молодому досліднику при виготовленні різноманітних приладів і пристроїв.

Батькові вдалося запросити кількох професорів Ерлангенського університету допомогти його синам опанувати основами математики, фізики і філософії. Це дозволило Георгу блискуче закінчити міську гімназію.

Збереглося цікаве свідчення професора математики Ерлангенського університету К. Лангсдорфа, екзаменував в червні 1804 р п'ятнадцятирічного Георга: «Протягом п'ятигодинний бесіди я перевірив його знання з усіх розділів елементарної математики, арифметики, геометрії, тригонометрії, статики і механіки, а також з'ясував його знання в області вищої геометрії та математичного аналізу. На всі мої запитання 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 р Георг стає студентом філософського факультету і з захопленням продовжує заняття математикою, фізикою і філософією.

В університеті Ом виділяється не тільки глибокими знаннями і природною обдарованістю, 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 багато чим 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 землемірними розрахунками: вони визначали площі ріллі, обчислювали і становили 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 р Георг приймає запрошення на посаду вчителя математики в приватній школі швейцарського містечка Готтштадта. Педагогу ледь виповнилося 17 років!

Проводячи заняття зі школярами, Георг продовжує удосконалювати 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 постійна нестача грошей змушує його шукати більш високооплачувану роботу. За рекомендацією проректора університету в 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 викладом нових методів навчання і 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 в якості вчителя математики і фізики в одну з відомих шкіл м Кельна, що мала гарну експериментальну лабораторію. Тут Ом опинився в своїй стихії: весь вільний час він проводить в лабораторії, ремонтуючи старі і створюючи нові прилади. Ось тут-то йому у нагоді досвід «потомственого слюсаря» і неабиякого конструктора-винахідника.

У ті роки, як і багато здібні молоді вчені, Ом захоплюється електротехнічними і магнітними явищами, ремонтує електростатичну машину, виготовляє кілька електроприладів. У 1812 р Ом писав батькові, що продовжує вивчати 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 полюси 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 за здатністю проводити електрику.

Спочатку Ом зайнявся визначенням електропровідності дротів з платинованим 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. Ерстед (1819 г.), який довів дію електричного струму на магнітну стрілку. Він також знав про створення найпростішого індикатора електричного струму - мультиплікатора: магнітна стрілка, поміщена на мідній осі всередині рамки зі струмом, відхилялася.

Але Ому потрібен був прилад, що дозволяв вимірювати величину електричного струму. І тільки 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 приладу електровимірювання

Важко уявити, скільки безсонних ночей провів молодий вчений, щоб реконструювати «ваги» Кулона. Йому вдалося знайти настільки оригінальне техниче-ське рішення, що пізніше фізики справедливо назвали установку Ома «першим приладом для електричних вимірювань». Головне удосконалення полягало в тому, що замість коромисла з бузиновим 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 закручувалася, 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 «візирну 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» в 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 ним формула виявилася невірною. До речі, Ом сам розумів неточність своїх експериментів, не випадково назвавши свою статтю «попереднім повідомленням». Потрібно визнати, що допущені Омом помилки пізніше стали однією з причин недовіри до його наступним публікаціям. 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.

В першу чергу Ом вирішив позбутися від головної причини помилок - гальванічної батареї, «збудлива сила» якої помітно зменшується з часом.Він замінив батарею термоелементом, скориставшись відкриттям професора Берлінського університету Т. І. Зєєбеком в 1821 р явища «термоЕРС» - виникнення електричного струму в замкнутому ланцюзі при охолодженні або нагріванні спаю двох різнорідних металів, наприклад, мідної та висмутовой пластин. Цей елемент відрізнявся помітно більшою стабільністю, а його внутрішній опір було значно менше, ніж в гальванічної батареї.

Термічні елементи складався з пари металів мідь - вісмут. Вісмутова смуга термоелемента abb'a 'вигиналася у вигляді витягнутої букви «П», а до її кінців пригвинчуватися мідна полоса1. Дві мідні шини k своїми кінцями dd 'опускалися в чашки з ртуттю mm', до яких підбивалися захищені кінці досліджуваних провідників.

Результати численних вимірів Ом виклав у статті «Визначення закону, за яким метали проводять контактна електрику, разом з начерком теорії вольтаіческого апарату і мультиплікатора Швейггера», опублікованій в уже 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 полягало 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 ним в 1827 р

Експериментів Ома, здавалося, не буде кінця, це підтверджує його невпинне прагнення проникнути в глибину фізичних процесів в електричних ланцюгах. Він досліджує силу струму по його магнітного дії (відхилення магнітної стрілки) і по його хімічному 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»; були, звичайно, забуті і перші невдалі публікації молодого вченого. Крім того, перевірити результати досліджень Ома було дуже важко: його унікальна експериментальна установка відрізнялася незвичайною для того часу чутливістю, а для проведення самих дослідів були потрібні і неабиякі здібності експериментатора, і завидне майстерність, і наполегливість у подоланні труднощів.

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

Ом відчуває необхідність теоретично осмислити і 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 в 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 або 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 в травні 1827 р

За аналогією з формулою, виведеною 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 чверть століття 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 обчислення, 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 доступному викладу відкритого ним закону, він крім теплової аналогії дивно ефектно використовував і гідравлічну (біг води в трубах). Якщо уявити собі дві східчасто розташовані труби однакового або різного діаметрів, сполучені коротким 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 ті жертви, яких вони йому коштували.

Однак і на цей раз надії Ома не виправдалися. У ті роки в 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 псевдовчені «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 псевдовчених.

запізніле визнання

Мрія Ома стати професором Берлінського університету не збулося. Тільки в 1833 році він отримав посаду професора фізики в політехнічній школі м Нюрнберга.

Вперше після виходу в світ твори Ома його відкриття було експериментально підтверджено в 1831 р одним з його однодумців, німецьким професором Фехнером.

Серед зарубіжних вчених, які визнали закон Ома і використовував його в 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 в трактаті «Про застосування електромагнетизму для приведення в рух машин». Справедливість закону Ома академіки Ленц і Якобі підтвердили в 1838 році 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 - в 1847, на французьку - тільки в 1860 (!).

У зв'язку з цим стався дивний казус. Французький вчений Пулье, який знав про роботи Ома з деяких теоретичних публікацій в німецькій пресі, 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 р Лондонське королівське товариство нагородило Ома найвищою нагородою - Золотою медаллю Коплі і обрало своїм членом. Пропагандистом ідей Ома в Англії став відомий творець «містка Уитстона» - Ч. Уитстон, а знаменитий американський фізик Дж. Генрі писав: «Коли я перший раз прочитав теорію Ома, вона мені здалася блискавкою, раптом освітила кімнату, занурену в морок». Одна з робіт відомого німецького фізика Г. Кірхгофа, опублікована ним в 1849 р, носила назву «Про виведення закону Ома»; Кірхгоф 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 року, 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 і 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, однак 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 області науки». На жаль, багаторічну напругу фізичних і духовних сил різко позначилося на здоров'ї вченого. Все 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 учнів.

Як писав один з біографів, Ом зазвичай «без гіркоти зносив своє обмежене положення, коли його роботи не були визнані, і не зазнавайся після того, як його праці отримали міжнародне визнання».

Важкий серцевий напад навесні 1854 р змусив вченого злягти в ліжко. Відчувши себе трохи краще, він знову почав читати лекції, але в липні 1854 р серце Ома зупинилося. Він був похований на старому цвинтарі м Мюнхена, і тільки через 40 років йому було встановлено пам'ятник.

На той час, нарешті, вийшло в світ повне зібрання його праць.

Ім'я 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.