Сын слесАря и доктор философии

 

Каждый школьник хорошо знает фундаментальный закон электрической цепи, открытый выдающимся немецким ученым Георгом Омом. Но в первой половине XIX века многие крупные ученые с недоверием отнеслись к открытию неизвестного школьного учителя физики и математики. На протяжении более четверти века после создания первого источника электрического тока – «вольтова столба» – многие западноевропейские физики ошибочно считали, что проводник является «чисто пассивной частью электрической цепи». К сожалению, они не были знакомы с работой русского физика В.В. Петрова «Известия о гальвани-вольтовских опытах…», в которой был впервые использован термин «сопротивление» и доказано, что величина электрического тока зависит от площади поперечного сечения проводника. Как утверждал английский журнал Science Progress, своими исследованиями Петров «предвосхитил закон Ома». Заметим также, что ученый не имел никаких электроизмерительных приборов и о величине тока судил по интенсивности процесса электролиза в разных жидкостях.

Ом был одним из первых исследователей, занявшихся установлением количественных закономерностей в электрических цепях. Это оказалось далеко не легкой задачей. Не было известно, какие величины нужно измерять, понятия о напряжении и сопротивлении проводников не были общепринятыми, а многим физикам вообще неведомы. Свойства первых источников электрического тока также не были достаточно изучены, не существовало и приборов для измерения электрических величин. Ряд ученых (Х. Дэви, А. Беккерель и др.) предпринимали попытки найти соотношения между величинами, характеризующими процессы в электрических цепях, но только Г. Ому удалось установить основной закон электрической цепи.

В марте 1787 г. в немецком городе Эрлангене в семье потомственного слесаря родился мальчик, названный Георгом, которому было суждено прославить на века скромную династию Омов. Благодаря отцу Георг умело пользовался слесарными инструментами, что очень пригодилось будущему молодому исследователю при изготовлении разнообразных приборов и устройств. Отцу удалось пригласить нескольких профессоров Эрлангенского университета помочь его сыновьям овладеть основами математики, физики и философии. Это позволило Георгу и его брату блестяще окончить городскую гимназию. Сохранилось любопытное свидетельство профессора математики Эрлангенского университета К. Лангсдорфа, экзаменовавшего в июне 1804 г. пятнадцатилетнего Георга: «В течение пятичасовой беседы я проверил его знания по всем разделам элементарной математики, арифметики, геометрии, тригонометрии, статики и механики, а также выяснил его знания в области высшей геометрии и математического анализа. На все мои вопросы я получил быстрые и точные ответы. Почти убежден, что оба брата из этой семьи станут не менее знаменитыми, чем братья Бернулли; обладая таким усердием и имея такой талант, они обогатят науку, если найдут соответствующее внимание и поддержку».

После окончания гимназии весной 1805 г. Георг становится студентом философского факультета и с увлечением продолжает занятия математикой, физикой и философией. В течение трех семестров Ом успешно осваивает курс наук, но, понимая материальные трудности отца, решает начать работать, чтобы поддержать семью. Осенью 1806 г. Георг принимает приглашение на должность учителя математики в частной школе швейцарского городка Готтштадта. Начинающему педагогу едва исполнилось 17 лет!

Спустя пять лет, в 1811 г., Ом возвращается в Эрлангенский университет; самостоятельно приобретенные знания позволили ему успешно закончить учебу, защитить диссертацию, получить степень доктора философии. но постоянная нехватка денег вынуждает его подыскивать более высокооплачиваемую работу. По рекомендации проректора университета в 1813 г. Ома принимают учителем математики и физики в школе города Вамберга (Бавария), а затем - в качестве учителя математики и физики в одну из известных школ г. Кельна, имевшую хорошую экспериментальную лабораторию. Здесь Ом оказался в своей стихии: все свободное время он проводит в лаборатории, ремонтируя старые и создавая новые приборы. Вот тут-то ему пригодился опыт «потомственного слесаря» и незаурядного конструктора-изобретателя.

Ом увлекается электротехническими и магнитными явлениями, ремонтирует электростатическую машину, изготавливает несколько электроприборов. В 1812 г. Ом писал отцу, что продолжает штудировать классические труды Лапласа, Лежандра, Лагранжа, Био и все свое время отдает «изучению недавно открытого явления электромагнетизма». Уже было известно, что проводники, соединяющие полюса источников тока, нагреваются в зависимости от площади пластин вольтова столба. Важно было выяснить, как влияют на температуру нагрева проводников их длина и вид металла, почему время разрядки батареи зависит от материала проводников. По-видимому, они различаются по способности проводить электричество.

Вначале Ом занялся определением электропроводности проволок из платинированной меди различной длины, имеющих одинаковое поперечное сечение. Как уже отмечалось, Ому, как и другим европейским физикам, не были известны исследования явлений в электрических цепях, опубликованные еще в 1802 г. на русском языке выдающимся физиком В.В. Петровым. Но Ом, конечно, был знаком с открытием датского физика Г.Х. Эрстеда (1819 г.), доказавшим действие электрического тока на магнитную стрелку. Он также знал о создании простейшего индикатора электрического тока – мультипликатора: магнитная стрелка, помещенная на медной оси внутри рамки с током, отклонялась.

Ому нужен был прибор, позволявший измерять величину электрического тока. И только незаурядная эрудиция и мастерство изобретателя-конструктора позволили ему решить эту нелегкую задачу.Ему были известны так называемые «крутильные весы», созданные еще в 1784 г. знаменитым французским ученым и инженером Ш.О. Кулоном (1736–1806), исследовавшим законы кручения металлических нитей для определения силы взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов и открывшим закон, носящий его имя.

Но Кулон наблюдал притяжение и отталкивание шариков, заряженных статическим электричеством. А как измерить величину электрического тока? Трудно представить, сколько бессонных ночей провел молодой ученый, чтобы реконструировать «весы» Кулона. Ему удалось найти настолько оригинальное техническое решение, что позднее физики справедливо назвали установку Ома «первым прибором для электрических измерений». Главное усовершенствование заключалось в том, что вместо коромысла с бузиновым шариком Ом подвешивал на металлической нити магнитную стрелку над проводником, по которому протекал электрический ток и по углу отклонения этой стрелки определял относительную величину тока. Кроме того, он убедился в нестабильности источника тока – гальванического элемента, «возбуждающая сила» которого изменялась при его включении и выключении. Точность измерений также снижалась из-за того, что внутреннее сопротивление батарей было значительно больше сопротивления исследуемых проводников.

Усовершенствованный Омом измерительный прибор представлял собой стеклянны цилиндр (см. рисунок), имевший по окружности «градусную» (измерительную) шкалу. Через центральное отверстие пропускалась серебряная нить, прикрепленная сверху к микрометрической головке q, которую можно поворачивать в ходе эксперимента. Внизу к нити прикреплялась магнитная стрелка tt. При прохождении тока по проводнику под стрелкой нить закручивалась, и стрелка отклонялась на определенный угол. Вращая верхнюю измерительную головку, Ом возвращал магнитную стрелку в исходное положение и точно фиксировал угол ее отклонения. Во избежание ошибки он установил небольшую линзу l, чтобы лучше видеть «визирную линию».

Первая статья Ома по исследованию проводимости различных металлов и зависимости угла отклонения магнитной стрелки от площади поперечного сечения проводника была опубликована в «Журнале физики и химии» в 1825 г. под названием «Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят контактное электричество». Ом установил важный факт, что проволоки одного и того же материала, различающиеся площадью поперечного сечения, имеют «…одинаковую проводимость, если их длины пропорциональны их поперечным сечениям». Однако, предложенная им формула оказалась неверной. Имевшиеся в его распоряжении электрические батареи имели слишком большое внутреннее сопротивление по сравнению с сопротивлением исследуемых проводников.

Ом сам понимал неточность своих экспериментов, но он не был бы Омом, если бы «опустил руки» от первых неудач. Он решил избавиться от главной причины ошибок – гальванической батареи, «возбуждающая сила» которой заметно убывает со временем. Он заменил батарею термоэлементом, воспользовавшись открытием профессора Берлинского университета Т. И. Зеебеком в 1821 г. явления «термоЭДС» – возникновения электрического тока в замкнутой цепи при охлаждении или нагревании спая двух разнородных металлов, например, медной и висмутовой пластин. Этот элемент отличался заметно большей стабильностью, а его внутреннее сопротивление было значительно меньше, чем в гальванической батарее. Многократно повторяя эксперименты с проводниками различной длины и толщины, Ом составил подробные таблицы и установил ранее неизвестный закон о пропорциональности силы тока и «возбуждающей силой» (напряжения). Кроме того, он доказал, что по этому закону «…можно рассчитывать электрические цепи независимо от материала проводника». Изменяя длину замыкающей цепи проволоки, он доказал, что, выражаясь современной терминологией, сила тока в цепи с постоянным источником ЭДС обратно пропорциональна сопротивлению цепи. Так звучит уже знакомая нам формула закона Ома, впервые опубликованная им в 1827 г.

Но, увы, и на этот раз «ученый мир» не оценил открытия Ома. Ом чувствует необходимость теоретически осмыслить и обобщить полученные им результаты. С этой целью в августе 1826 г. он с трудом добивается разрешения предоставить ему годичную командировку в Берлин. огромное впечатление на него произвела книга французского ученого Ж.-Б. Фурье (1768–1830) «Аналитическая теория тепла», изданная в 1822 г. и получившая высокую оценку физиков и математиков. В теории Фурье тепловой поток между двумя телами или двумя точками одного и того же тела объясняется разностью температур этих тел или точек. Ому пришла в голову гениальная мысль о возможности аналогии между «тепловым потоком» и электрическим током в проводнике, вызванным разностью «электроскопических сил». Теоретические обобщения Ом проводил в фундаментальном труде «Теоретические исследования электрических цепей», вышедшем в мае 1827 г. Очевидно, что эта формула соответствует современной записи закона Ома. Он впервые в западноевропейской литературе ввел термин «сопротивление».

Величина U, названная Омом «электроскопической», характеризующая состояние цепи в данной точке, по утверждению физиков, «…дала начало введенному позднее в теорию электричества понятию потенциала». В своем труде Ом впервые широко применяет математические методы анализа электрических цепей, используя дифференциальные и интегральные исчисления, теорию рядов. Его сочинение по праву считается первой теоретической работой в области электричества. В 1881 году на электротехническом съезде в Париже ученые единогласно утвердили название единицы сопротивления – 1 Ом.

Почти полтора века прошло со времен описываемых событий. За это время люди изучили характер сопротивления различных материалов протеканию электрического тока. Способность вещества пропускать электрический ρ ток мы характеризуем его удельным сопротивлением или удельной проводимостью, величиной, обратной сопротивлению. Эти величины зависят не только от химической природы вещества, но и от условий, в частности – от температуры, при которой оно пребывает. Выявлено также, что у большой гоуппы металлов и сплавов при температуре порядка нескольких градусов по Кельвину удельное сопротивление скачком обращается в нуль. Такие материалы назвали сверхпроводниками. Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено в 1911 году Камерлинг-Оннесом. Полное теоретическое обоснование сверхпроводимости была дано в 1958 году советским физиком Н.Н. Боголюбовым и его сотрудниками.