欧姆定律曲折的发现过程

欧姆定律曲折的发现过程

任何一个中学生对欧姆定律都不陌生，它是电学里的基律，且形式简单E＝I（R＋r）。但欧姆定律的发现过程并非一帆风顺，其间充满了曲折：由于黑格尔主义者的非难，思辨哲学的盛行，使欧姆的发现最初在自己的祖国得不到承认，直到14年后才得到学术界的公认。

1789年，欧姆出生于德国爱尔兰根（Erlangen）一个锁匠之家。1805年考入爱尔兰根大学，但只读了三个学期，就被父亲送到了瑞士农村。在父亲看来，农村的清新空气和淳朴的社会关系，会更有利于欧姆的发展。在这以后的6年中，欧姆一边自学，一边担任中学教师和家庭教师。1811年，欧姆再度进入爱尔兰根大学，并在那里获得博士学位。毕业后留校任教，担任了一年半的无薪助教。欧姆考虑到，德国师资队伍等级森严，无薪助教处于最下层，要想自由从事科学研究那是不可能的。他决定离开大学，到巴姆堡一所中学任教（1813年～1817年），1819年又转到科隆一所改革的耶稣学校当教师。

环境对欧姆有很大影响。他从小跟锁匠父亲学到了机械技能，使他以后有能力为自己制造了许多仪器。从小立志科学研究的雄心壮志使他毅然离开了大学，最后来到了科隆。这里是德国教育风气最浓的地方。正是在这里，欧姆系统研究了著名科学家拉普拉斯、泊松、傅立叶、菲涅耳的著作，为自己今后从事科学研究打下了坚实的基础。

欧姆进行的第一个实验研究是关于金属的相对传导率。他使用同样粗细的不同材料的导线，为使它们具有相同的传导率所要求的长度不同。具体为：铜线1000，金线574，银线356，锌线333，黄铜线280，铁线174，铂线171，锡线168，铅线97。这张表明显存在错误；银的传导率不该低于铜。在后来的验证中，欧姆发现了这一错误，并找到了造成错误的原因：他第一次使用的银导线在拉制时覆盖了油层。这样，尽管外表面粗细相同，实际上他使用的那根银导线要细得多。

欧姆定律的研究最初是在傅立叶热传导工作的启发下开始的。傅立叶假设，导热杯中两点之间的热流量与这两点的温度成正比，然后用数学方法建立了热传导定律。欧姆认为，电流现象与热传导相类似。导热杆中两点之间的温度差相当于导线中两端之间的驱电力；导热杆中的热流相当于导线中的电流。受傅立叶热传导定律的启发，欧姆猜想，如果导热杆中两点之间的热流强度正比于这两点的温度差，导线中两点之间的电流也许应正比于这两点之间的某种驱电力。他把这种驱电力称为电动力（即今天的电势差）。但开始，欧姆使用的电源是伏打电堆，由于它容易极化，导致电动势很不稳定，也给欧姆的实验研究工作带来很大的困难和麻烦。1821年，塞贝克（T．J．Seebeck）发明温差电池，波根道夫（J．C．Poggendorff）建议欧姆采用温差电池。欧姆接受了这一建议，制作的温差电池如所示。容器A和B用锡制成，其中容器A中装入沸水，容器B中装入雪或冰。abb＇a＇为一根铋棒，用两根铜条将其固定（这意味着温差电偶由铋和铜组成）。它的两个自由端放入盛有水银的两个杯中。为要产生电流，把结合端ab放进容器A的中空圆筒x中，而把结合端a＇b＇放进容器B的相应位置上。当两个水银杯同导体连接形成回路时，温度差就产生了电流。

欧姆制作的温差电池

欧姆的实验装置

欧姆面临的另一困难是电流强度的测量问题。开始，欧姆曾设想用电流的热效应，由热胀冷缩方法来测量电流强度。显然这种方法很难获得精确测量结果。后来，欧姆巧妙地利用电流的磁效应与库仑扭秤相结合，设计了一个电力扭力秤，并用它来测量电流强度。磁针悬在待测通电导线上方，并用5英寸长的带状金属薄片吊在扭力端上，当磁针受电流作用而偏离它在磁子午线上的静止位置时，它将会在扭力作用下回到原来的位置上。扭力端所要偏转的整个角度是以圆周的百分度来测量的。使磁针偏离它初始位置的力和这个角度成正比。因此电流强度可参看每一次测量到的、为使磁针回到零位扭力端所转的角度。

欧姆配制了相同粗细的8种铜导线，其长度分别为2、4、6、10、18、34、66、130英寸。把它们一个接一个地插进线路中，测出每一次线路中的电流强度（由每一次测量到的为使磁针回到零位扭力端所转的角度表示）。下表为欧姆当时的实验记录。通过这些记录，欧姆得出结论说：

“以上数据能够十分令人满意地以等式描述．式中X是长度为X的导体的磁效应强度（实际上是导线中电流对磁针作用力的大小，也就是磁针偏转角度的大小），a和b是依赖于激发力和电路其余部分的电阻的常数。”用今天的术语来说，X是电流强度，a是电动势，b＋x表示电路的总电阻。而后，欧姆用实验方法又建立了当电池是串联电弧以及并联电弧时的电流强度公式，并与先前的实验结果一起于1826年发表在《金属导电定律的测定》这篇论文中。

第二年（1827年），欧姆在经验定律的基础上又作了数学处理和理论加工，在定义电流强度和电势差等概念的基础上，欧姆得到一个更加完满的公式：S＝r·E，其中S表示导线的电流强度，r为电导率，E为导线两端的电势差。该公式发表在《动电电路的数学研究》一文中。

18世纪末至19世纪初的德国物理学界由一批老年持重的物理学家所把持。他们片面强调定性的实验，忽视理论概括的作用，尤其对法国人的数学物理方法表示强烈的不满。孟克（G．W．Muncke）曾经这样说过：“自从牛顿和笛卡尔时代以来，数学的价值已越来越高。我们不能不看到这种价值已充斥了法国的广大领域，而且正在向德国袭来……如果我们诚心诚意地为着促进科学的发展，并且正确而又全面地考虑目前物理学状态的话，那么我们一时也不能不想到我们更需要的是观察和实验，而不是计算和几何公式。”

尽管欧姆定律是建立在实验的基础上，但他的实验论文很少人知道，以至于长期以来流传着这样的说法，他的定律的根据是理论，而他从未用经验方法证实这个定律。柏林的《科学评论年鉴》甚至称欧姆的理论“纯属空洞的编造，永远不能发现一点点哪怕是最肤浅的事实观测支持。”还有的人说，欧姆1827年出版的《电路，数学研究》一书“是一种痴心妄想的结果，它的唯一成就是损害自然界的尊严。”况且，当时德国物理学十分落后，连电的同一性问题还在讨论中。而欧姆是用温差电池做实验的，欧姆的结论是否适用于其他电（如摩擦电、化学电、电磁感应电等）尚待证明。直到1833年法拉第实验证明了电的同一性后，局面才好转起来。即使如此，仍有人提出欧姆定律不能适用于电解质电路。1868年德国物理学家柯尔劳施（F．W．G．Kohlrausch）用交流电的方法克服了电解质溶液使电极极化的现象，证明欧姆定律同样能用于电解质电路，德国物理学界才接受欧姆定律。

黑格尔主义者对欧姆的反对也延缓了对欧姆定律的承认，因为黑格尔主义毕竟在德国的影响太大了。当欧姆的《电路，数学研究》一书出版后，他给教育部长苏尔兹赠送了一本，并附上一信，请求苏尔兹把他安排在大学工作。作为黑格尔主义者的苏尔兹对欧姆的工作毫不经意，只把欧姆安排到一所军校，这自然不是欧姆向往的。

黑格尔主义者、物理学家鲍尔（G．F．Pohl）也拼命反对欧姆。他煽动学术界不要去读欧姆的著作，因为“它纯粹是不可置信的欺骗，它的唯一目的是要亵渎自然的尊严。”

1829年3月20日，欧姆给路德维希一世写信，请求能对鲍尔的攻击给予公断。国王把欧姆的信交给了巴伐利亚科学院，责令组成一个专门学术委员会来讨论欧姆的著作。但委员会成员意见不一，难以作出裁决，最后只好去征求哲学家谢林的意见，作为德国自然哲学的创立人，谢林拒绝作出评价，再一次延误了对欧姆学术思想的公正评价。直到1831年黑格尔去世后，他的唯心主义思想对科学的束缚才开始松弛。但对欧姆学术成就的承认仍不是最先发生在德国。1841年，伦敦皇家学会授予欧姆一项最高科学奖——科普勒奖章，这才引起德国政府和科学界对欧姆的关注。埃尔曼和多佛等人积极推荐欧姆到德国物理学界的最高位置；1845年2月9日，海尔曼（Hermann）还给巴伐利亚科学院数理学部秘书长写信，建议选举欧姆为正式院士。这样欧姆才当选为院士。1849年11月23日，又把欧姆调到慕尼黑主持科学院物理学术委员会的工作，并担任慕尼黑大学物理学教授。但这一年欧姆已60岁了。如果欧姆能早10年进入他向往的地方，也许他会做出更大的贡献。

为了纪念欧姆在电学上的贡献，1881年在巴黎召开的第一届国际电气工程师会议上，决定以“欧姆”作为电阻的实用单位，他发现的定律也被后人称为“欧姆定律”。