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欧姆定律的发现

来源:http://www.rxsfjx.com 作者:澳门皇冠官网-澳门皇冠844网站 时间:2019-11-25 16:16

欧姆定律是电学中又一条基本定律,发现于1826年。欧姆原是一名中学数学、物理教师。他是在傅里叶(J.B.J.Fourier)的热传导理论的启发下进行电学研究的。傅里叶假设导热杆中两点之间的热流量与这两点的温度差成正比,然后用数学方法建立了热传导定律。欧姆认为电流现象与此类似,猜想导线中两点之间电流也许正比于这两点的某种推动力之差。欧姆称之为电张力(electric tension)。这实际上是电势概念。为了证实自己的观念,欧姆下了很大功夫进行实验研究。

欧姆定律的发现

开始欧姆所用电源是伏打电堆,由于这种电源不稳定,给欧姆的实验带来很大困难。1821年塞贝克(T.J.Seebeck)发明温差电偶。波根道夫(J.C.Poggendorff)建议欧姆采用温差电偶做电源,这才得到稳定的电源。当时,电流强度的测量还是尚未解决的技术难题。欧姆先是打算用电流的热效应,从热膨胀的效应来测量电流强度。后来,欧姆自己设计了一种电流扭秤,把电流的磁效应和库仑扭秤结合在一起,测量电流强度是通过挂在扭丝下的磁针所偏转的角度。温差电池是由弯成abb′a′形的铋条和两根铜条组成,ab端插入装有碎冰雪的容器中,a′b′端则插入另一装有沸水的容器中。

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电流扭秤的扭丝和磁针置于圆筒形玻璃罩中,磁针偏转的角度用一放大镜观测。欧姆取八根粗细相同,长度不同的板状铜丝,分别接入电路,测出每次的电流磁作用强度(实际上是与电流强度成比例关系的磁针偏转角度)。最后表示成:

欧姆定律实验装置 图片来源:百度图片

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学过物理的人都知道,I/R是欧姆定律的数学表达式,它表明了导体中的电流强度I与它两端的电压U成正比,跟它的电阻R成反比。

如此简单明了的定律,其发现过程却一点都不简单。1820年,德国物理学家欧姆开始系统地研究电学理论。当时,在电的研究中,科学家们隐约地感觉到电流有一些神秘的规律,但由于没有一种稳定的电源,也没有一种较精确的测量电流强度的仪器,致使探索电流规律的工作十分艰难。

欧姆受到傅里叶热传导理论(导热杆中两点间热流量与两点温度差成正比)的影响,开始了研究电流定律之路。由于当时缺乏明确的电动势、电流强度乃至电阻概念,因此适用的电流计也正在探索中。1821年,德国物理学家施威格利用电流的磁效应发明了检流计。这种仪器主要用来检验电流的有无。从施威格的检流计中,欧姆受到启发,他把电流的磁效应与库仑扭秤法巧妙地结合起来,创造性地设计出一个电流扭力秤。欧姆用扭力秤来测量电流所产生的磁场对磁针的作用力矩,以此来确定电流强度。从初步的实验中,欧姆发现电流对磁针的作用力与导线的长度有关。

为了确定它们之间的定量关系,欧姆做了反复的实验。他将磁针的中点用金属丝悬挂起来,使磁针平行地位于导线的上方。当导线通有电流时,电流的磁场使磁针偏转。若将金属丝扭转,磁针便重新返回原来的位置。因为磁针所在处,直线电流所产生的磁场的磁感应强度正比于导线中的电流强度。它对磁针的作用力矩等于磁针处的磁感应强度与磁针磁矩的乘积,所以扭力秤中金属丝的扭转角正比于导线中的电流强度。根据扭转角的大小,欧姆就能相对地比较不同的电流强度。

当时,欧姆受到法国物理学家贝克勒尔的启发,选择了一组截面积相同,长度不同的铜导线作为外电路进行了实验。从实验的数据中,欧姆发现:当导线的长度与其横截面面积成比时,它们的导电率的确相等,而被测导线的长度越长,电流扭力秤的偏转角越小,两者之间则存在着反比的关系。经过多次反复实验,欧姆发现了检流计指针的偏转量和导体长度、串接材料的电阻率,以及与所加电压之间的关系。

1825年,欧姆发表第一篇论文《涉及金属传导接触电的定律的初步表述》,论述了电流的电磁力的衰减与导线长度的关系。进而,他通过实验测定了不同金属的电导率。1826年,欧姆的第二篇论文《金属导电规律的确定及伏打电池和施威格检流计的理论要点》发表了。第二年,又发表了第三篇论文,题目是《伽伐尼电池的数学论述》,终于总结出了欧姆定律。欧姆定律从发现至今已 170余年了,无数的实践都证明了它的正确性,它已成为现代电学和电工学最基本的规律之一。

《中国科学报》 (2014-05-16 第16版 探索)

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