четверг, 16 марта 2017 г.

16 марта. Не знаешь закона Ома - сиди дома.


История знает примеры, когда научные открытия гениальных одиночек намного опережали свое время. Такая судьба выпала и на долю Георга Симона Ома, родившегося ровно 230 лет назад. Трудно себе представить, что закон Ома, ставший основой современной теоретической и практической электротехники, и давно вошедший во всем мире в школьный курс, почти 20 лет не признавался наукой, а имя его создателя, первым применившего в электротехнике математические методы, благодаря чему стал возможен важный для науки переход от качественных наблюдений к количественным измерениям, и давшего научные определения таким понятиям, как сила тока, ЭДС, напряжение, сопротивление (эталон сопротивления, предложенный Омом, позволил упорядочить проведение экспериментов), оставалось неизвестным. А ведь современниками Ома были крупнейшие ученые начала XIX века Фурье, Ампер, Фарадей, Лаплас.

Георг Симон Ом родился 16 марта 1787 года в провинциальном немецком городке Эрланген (Бавария, тогда часть Священной Римской империи). Мать Георга, Мария Элизабет, происходила из семьи портного (по другим сведениям - кузнеца), она умерла при родах, когда Георгу исполнилось 9 лет. Его отец, Иоганн Вольфганг, так и не оправившийся до конца жизни от потери «лучшей и нежнейшей из матерей», как он о ней говорил, зарабатывал на жизнь слесарным и кузнечным ремеслом, а все свободное время отдавал науке, к которой всегда тянулась его душа, самостоятельно изучая физику, химию, высшую математику. Жажду к знаниям скромный слесарь сумел привить и своим сыновьям, с детства занимаясь их образованием. Занятия отца с сыновьями не ограничиваются стенами дома. Вечерами, в воскресные и праздничные дни Иоганн совершает с детьми длительные прогулки по окрестностям Эрлангена. На природе отец учит детей различать породы растений, определять плодородность почв, объясняет строение цветов, вместе с мальчиками наблюдает за поведением живности. Но наибольшее удовольствие всем троим доставляет решение математических задач. Иоганн из подручных материалов мастерит нехитрый измерительный инструмент и мальчики вычисляют площади полей и водоёмов. Георг, ставший профессором физики, и его брат Мартин, профессор математики, считали, что всем достигнутым в жизни они обязаны отцу, передавшему детям свою настойчивость в работе, целеустремленность и веру в успех.

Школа, в которой начиналось обучение сыновей кузнеца Ома, была более чем скромной, хотя обучение было платным: ее владелец, он же — единственный учитель (ему, правда, помогала дочь, обучавшая малышей читать), бывший чулочник, хотя и не имел педагогического образования, по-видимому, обладал, кроме прекрасного почерка и умения быстро решать арифметические задачи, также некоторыми врожденными талантами преподавателя, любознательностью и живостью ума. Он подготовил Георга к поступлению в городскую гимназию, которая курировалась университетом. В этом учебном заведении основное внимание уделялось изучению латыни и греческого языка. Что касается математики и особенно физики, то лишь занятия, которые проводил вместе с сыновьями дома Иоганн Ом, позволили им продвинуться в изучении этих наук. Из довольно ограниченных средств семьи всегда выделялись деньги для покупки книг по математике (они преобладали), но также по истории, географии, философии, педагогике, равно как и руководства по обработке металлов. Когда Георг перевел с латыни (а в классе он по языкам шел первым) книгу Леонарда Эйлера «Интегральное исчисление», отец под диктовку сына не только переписал перевод, но и серьезно изучил этот труд. Неудивительно, что у преклонявшегося перед наукой кузнеца появились знакомые (ставшие вскоре его друзьям), преподаватели университета. Они охотно занимались и с его одаренными сыновьями. Один из них, профессор математики К. Е. Лангсдорф, проэкзаменовал Георга по окончании гимназии. Вот итог этого экзамена: «В течение пятичасовой беседы я проверил его знания по всем важнейшим разделам элементарной математики: арифметике, геометрии, тригонометрии, статике и механике, а также выяснил его знания в области высшей геометрии и математического анализа. На все мои вопросы я получал быстрые и точные ответы. Почти убежден, что оба брата из этой семьи станут не менее знамениты, чем братья Бернулли - Иоганн и Якоб: обладая таким усердием и имея такой талант, они обогатят науку, если найдут соответствующие внимание и поддержку».

А в 1805 Георг Ом сам стал студентом философского факультета Эрлангенского университета, где изучал физику, математику и философию. При той подготовке, которая у него была, учиться в университете Георгу Ому было легко. Может быть, и по этой причине он поддался соблазнам вольной студенческой жизни и с азартом окунулся в спорт (стал, в частности, лучшим бильярдистом и конькобежцем в университете), увлекся танцами, и вскоре стал уделять занятиям гораздо меньше времени, чем того хотелось бы отцу, которого такая перемена в сыне не могла не обеспокоить. К тому же, обеспечивать семью, а следовательно и платить за обучение сына, ему становилось все труднее. Назревал — в первый и единственный раз в их жизни — «конфликт отцов и детей», который завершился тем, что Георг, проучившись в университете всего 3 семестра, покинул родительский дом, чтобы в швейцарском городке Готтштадте (ныне входит в швейцарскую коммуну Орпунд) занять место преподавателя математики в частной школе при монастыре. Так началась педагогическая деятельность Георга Ома. Но отец не оставил надежды увидеть своего младшего сына ученым. В письмах к нему он старался убедить Георга, что важно не только научиться преподавать знания другим, но и найти в себе силы продолжить образование, постигнуть нелегкое искусство учить себя самого. Поэтому, помимо преподавания, Георг продолжал заниматься самообразованием, всецело посвятив себя изучению математики.

В 1809 г. Карл Кристиан фон Лангсдорф покидает свой пост в Эрлангенском университете и перебирается в Хайдельбергский университет. За ним хотел последовать и Ом, но тот, отговорив будущего учёного, посоветовал вместо этого взяться за изучение трудов Эйлера, Лапласа и Лакруа. В марте 1809 г. Ом оставляет свой учительский пост, переезжает в Невшатель, где даёт частные уроки. Свободное время он посвящает самостоятельному изучению математики.

В 1811 году Георг вернулся в Эрланген и уже в том же году сумел закончить университет, защитить диссертацию и получить учёную степень доктора философии. Более того, ему тут же была предложена в университете должность приват-доцента кафедры математики. В этом качестве он проработал до 1813 года, когда принял место преподавателя математики в Бамберге (1813—1817). В этот период он написал работу о методике преподавания. Это был его первый опубликованный труд, который вышел в 1817 году.


В сентябре 1817 г. Георгу предложили место учителя математики и физики в Иезуитской гимназии Кёльна, где помимо преподавания он плотно занялся наукой. Такой шанс упускать было нельзя, поскольку эта гимназия была не только лучше всех учебных заведений, в которых он преподавал раньше, но также имела при себе хорошо оборудованную лабораторию. За всю свою преподавательскую деятельность, Ом ни на миг не забрасывал своё самообразование, изучая труды учёных французских математиков: Лагранжа, Лежандра, Лапласа, Биота и Пуассона. Позже, Ом познакомится с работами Фурье и Френеля. И в это же время, узнав о теоретическом обосновании Эрстедом явления электромагнетизма в 1820 г., Ом начинает ставить собственные опыты в школьной физической лаборатории. Делает он это исключительно для поднятия собственного уровня знаний. Осознаёт он и то, что, если он хочет получить работу, которая действительно будет интересна, ему придётся потрудиться над исследовательскими материалами. Ведь, только опираясь на что-то, он мог показать себя миру и достигнуть желаемого.

В 1824 году его увлекла тема протекания электрических токов по проводникам. В Кёльне ученый провел целую серию экспериментов и опубликовал свои знаменитые работы по теории гальванической цепи. В то время в области электротехники было множество нерешенных проблем - не разработана методика экспериментов, не найдены закономерности, связывающие основные величины. Даже не было прибора, позволяющего с достаточной точностью проводить измерения. За изготовление такого прибора и взялся Ом. Он сконструировал его на базе крутильных весов Кулона: магнитную стрелку подвесил на проволоке над проводником, расположенным в направлении магнитного меридиана. Чем больший ток протекал по проводнику, тем сильнее отклонялась стрелка. В качестве источника тока Ом использовал элемент Вольта - медную и цинковую пластины, помещенные в раствор соляной кислоты.

Приборы, изготовленные Георгом Омом
В 1826 году в «Журнале физики и химии» вышла его статья «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера» (так Ом называл применявшийся им гальванометр), в которой излагались основные результаты его исследований. В 1826 году Георг переехал в Берлин, где жил и работал его брат Мартин, и через год вышла его обширная, содержащая 245 страниц, монография «Теоретическое исследование электрических цепей», в которой ученый предложил характеризовать электрические свойства проводника его сопротивлением и ввел этот термин в научный обиход. В 1827 году в Берлине он опубликовал свой главный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически», экспериментально открыв основной закон электрической цепи. Но эти публикации не произвели впечатления на ученых. Противники Ома не только отрицали его заслуги, но и активно мешали ему работать, ожесточенно понося его. Видимо, причиной этого были и господствовавшие тогда философские взгляды. Все хлопоты о месте, где можно было бы работать, оставались тщетными. Более того, целый ряд неприятностей заставил Ома в 1828 году покинуть должность - по личному указанию министра образования он был уволен с работы в школе за публикацию в газетах своих открытий в области физики, в частности ныне всем известного закона. Высокопоставленный чиновник придерживался убеждения, что внесение математики в классическую физику - недопустимая ересь. Всем инспекторам он приказал бдительно следить за чистотой натурфилософии и считать в ней главным именно умозрительный подход к явлениям природы.

Однако это не сломило учёного. В течение 6 лет, несмотря на весьма стеснённые обстоятельства, Ом посвящает себя исключительно научным работам и в 1830 году публикует труд под названием «Попытка создания приближенной теории униполярной проводимости», о котором с похвалой отозвался сам основоположник учения об электромагнитном поле английский физико-химик и член Лондонского королевского общества Майкл Фарадей. В 1832 году закон Ома признали русские физики Э.Х. Ленц и Б.С. Якоби, применив его в работе о количественном исследовании электромагнитной индукции. В Америке раньше других оценил важность работ Ома Дж. Генри. «Когда я первый раз прочел теорию Ома, — писал он, — то она мне показалась молнией, вдруг осветившей комнату, погруженную во мрак». В Италии первым пропагандистом этих работ был Карло Маттеуччи. И лишь в 1833 году Ому предложили занять должность профессора физики во вновь организованной политехнической школе Нюрнберга. Вскоре его назначили инспектором по методике преподавания и назначили ректором школы. Несмотря на большую загруженность, Ом не оставил научную работу и даже приступил к новым исследованиям – в области акустики, результаты которых сформулировал в виде закона (впоследствии – акустический закон Ома), который также не был принят современниками.

В 1839 году, через 13 лет после изгнания из школы, Ом стал членом-корреспондентом Берлинской академии наук. А в 1842 году, через 16 лет после открытия закона, работы Ома были переведены на английский язык, и Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом.

Тогда же наметился и его переход на новую научную тематику: Ома привлекла акустика. В 1843 г. он показал, что простейшее слуховое ощущение вызывается гармоническими колебаниями, на которые ухо разлагает сложные звуки. Акустический закон Ома был положен затем немецким ученым Г. Гельмгольцем в основу резонансной теории слуха. Хотя этот анализ, который Ом уподоблял анализу Фурье, обычно нами не осознается, при соответствующей подготовке слушатель может научиться воспринимать отдельные гармоники в составном звуке. Заметьте, что закон Ома представляет собой теоретическое утверждение относительно воспринимаемого тона, чем он и отличается от анализа Фурье, который является теоретическим утверждением относительно физического стимула. Слово акустический, включенное в название закона для того, чтобы отличить его от электрического закона Ома, — неудачный выбор, так как оно вызывает замешательство. Как часто подчеркивалось, было бы лучше назвать его слуховым законом Ома.

Только после этого Ом получил признание и на родине. В 1845 году его избрали членом Баварской академии наук, а через 4 года пригласили в Мюнхен на должность экстраординарного профессора физики, где Ом продолжил читать лекции, вести научные исследования и конструировать демонстрационные приборы. Там же он назначен консерватором физико-математических коллекций академии наук. Тем не менее, Министерство просвещения упорно не пропускало в учебники мысль о том, что познать законы электричества без математики невозможно. Сама работа Ома откровенно высмеивалась за «болезненную фантазию, принижающую математикой достоинства природы».

Обиделся ли учёный на министерство? Отнюдь. Он проработал в немецких школах не один год, преподавал математику и физику, и на собственном опыте убедился, что там царит «беспросветная казёнщина». Согласно его наблюдениям, обскурантизм в школьном преподавании занял место логики на 99 %. «Но даже один процент вселяет надежду на продвижение логики вперед», - говорил он друзьям. Много внимания уделяя методике преподавания, Ом в последние годы жизни начал работать над учебником физики, который он задумал как фундаментальный труд. Но успел закончить лишь первый том «Вклад в молекулярную физику».

Тем не менее еще долгие годы не прекращались попытки опровергнуть закон Ома. Даже в 1852 году французский физик М. Депре писал, что «закон Ома никак не представляет собой точного выражения фактов». Но большинство ученых всего мира к тому времени уже пользовались в своих работах открытиями Ома. В том же, 1852, году исполнилось давнишнее желание Ома — он получил должность ординарного профессора, а вскоре одним из первых был награжден орденом Максимилиана «За выдающиеся достижения в области науки». Его работы были переведены на английский язык, итальянский и французский языки.

Надгробие на могиле Ома в Мюнхене
Но здоровье его уже пошатнулось. В 1854 он перенес серьезный сердечный приступ. 28 июня 1854 король Максимилиан издал указ об освобождении его от обязательного чтения лекций. Но до конца жизни Георга Ома оставалось всего 12 дней. Умер Георг Симон Ом от удара 7 июля (хотя в ряде источников указана дата 6 июля) 1854 года в Мюнхене, где и был похоронен на Старом южном кладбище. Ученый не создал семьи. Вся его жизнь была отдана науке и утверждению сделанных им открытий.

Бюст Ома в Пантеоне
на Терезином лугу (Мюнхен)
В 1881 году на международном конгрессе электриков в Париже, по предложению русского ученого А.Г. Столетова, учеными единогласно было принято решение назвать его именем теперь общепринятую единицу электрического сопротивления («один Ом») в Международной системе единиц (СИ), обозначаемую греческой буквой «Ω».

О значении исследований Ома хорошо сказал профессор физики Мюнхенского университета Е. Ломмель при открытии памятника ученому в 1895 году: «Открытие Ома было ярким факелом, осветившим ту область электричества, которая до него была окутана мраком. Георг Ом указал единственно правильный путь через непроходимый лес непонятных фактов. Замечательные успехи в развитии электротехники, за которыми мы с удивлением наблюдали в последние десятилетия, могли быть достигнуты только на основе открытия Ома. Лишь тот в состоянии господствовать над силами природы и управлять ими, кто сумеет разгадать законы природы, Ом вырвал у природы так долго скрываемую ею тайну и передал ее в руки современников».



В память об ученом на здании кёльнской коллегии установлена мемориальная доска. На ней надпись: «Георгу Симону Ому, известному физику, который в должности учителя старой кельнской гимназии открыл в 1826 г. основной закон электрического тока, 6 марта 1939 г. в день 150-летия со дня его рождения установлена эта памятная доска».

Снимок зонда Lunar Reconnaissance Orbiter.
В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Георга Ома кратеру на обратной стороне Луны. Так же в честь физика назван астероид главного пояса, открытый 24 сентября 1992 года - 24750 Ом.

Рисунок барельефа, изображающего
Иоганна и Георга Омов
в Мюнхенском техническом университете,
Campus Терезиенштрассе
Если приехать в Мюнхен сегодня, экскурсоводы с радостью покажут вам памятник кабану и памятник бульдогу, проводят к фонтану Брунненбуберл, построенному в том же 1895-м году, где вода истекает изо рта глумливого сатира, а также предложат паломничество к мемориалу Майкла Джексона. Памятник же выдающемуся земляку, установленный в 1892 году, мюнхенцы легкомысленно перенесли на задний двор университета, подальше от туристических маршрутов – кому интересен первооткрыватель какого-то скучного закона? Сменили постамент… И теперь только на старинных рисунках можно увидеть барельеф, который некогда был высечен на постаменте памятника Георгу Ому. На барельефе был изображён Иоганн Ом, крупный мужчина в рабочей одежде, положивший руку на плечо мальчика, своего сына Георга, и через плечо указывающий сыну на книгу. Но не за тем туристы едут в нынешнюю Европу, чтобы узнавать о примерах выдающихся отцовских подвигов. Мы же с вами постараемся такие славные дела не забывать.

физика наглядно
Диаграмма, помогающая запомнить закон Ома.
Нужно закрыть искомую величину,
и два других символа дадут формулу для её вычисления.
Вместе же эти 3 величины образуют слово "URI"
Помните, "URI, где у него кнопка?" (с)
Что касается Закона Ома, то, в отличие от, например, закона Кулона, он является не фундаментальным физическим законом, а лишь эмпирическим соотношением, хорошо описывающим наиболее часто встречаемые на практике типы проводников в приближении небольших частот, плотностей тока и напряжённостей электрического поля, но перестающим соблюдаться в ряде ситуаций. Воспоминания о трудностях открытия закона Ома и его приближенный характер, физики предлагают в шутку уточнить его формулировку следующим образом: «Если использовать тщательно отобранные и безупречно подготовленные исходные материалы, то при наличии некоторого навыка из них можно сконструировать электрическую цепь, для которой измерения отношения напряжения к силе тока дают значения, которые после введения соответствующих поправок, оказываются равными постоянной величине, называемой сопротивлением».

Закон Ома может не соблюдаться:
  1. При высоких частотах, когда скорость изменения электрического поля настолько велика, что нельзя пренебрегать инерционностью носителей заряда.
  2. При низких температурах для веществ, обладающих сверхпроводимостью.
  3. При заметном нагреве проводника проходящим током, в результате чего зависимость напряжения от тока (вольт-амперная характеристика) приобретает нелинейный характер. Классическим примером такого элемента является лампа накаливания.
  4. При приложении к проводнику или диэлектрику (например, воздуху или изоляционной оболочке) высокого напряжения, вследствие чего возникает пробой.
  5. В вакуумных и газонаполненных электронных лампах (в том числе люминесцентных).
  6. В гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах, имеющих p-n-переходы, например, в диодах и транзисторах.

Частные случаи Закона Ома
Закон Чубайса для участка цепи: "Закон Ома на участке вашей цепи справедлив только в случае своевременной уплаты по счетам".
Закон Ома для дома: муж применяет тока силу, жена сопротивляется, в итоге напряжение в семье растёт.
Закон Ома признан экстремистским так как в нем фигурирует сопротивление.

Комментариев нет :

Отправить комментарий