乔治·西蒙·欧姆(Georg Simon Ohm,1787年3月16日-1854年7月6日),出生在德国埃尔兰根城,德国物理学家,为欧姆定律发现者。
欧姆1803年考入埃尔兰根大学,未毕业就在一所中学教书。1811年欧姆又回到埃尔兰根完成了大学学业,并通过考试于1813年获得哲学博士学位。1817年,他的《几何学教科书》(Grundlinien zu einer zweckmäßigen Behandlung der Geometrie als höheren Bildungsmittels)一书出版。同年应聘在
科隆大学预科教授物理学和数学。在该校设备良好的实验室里,做了大量实验研究。1827年,欧姆出版《伽伐尼电路的数学论述》(Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet)一书,从理论上推导出欧姆定律。但并未获得学界认可,直到1841年欧姆获英国伦敦皇家学会的
科普利奖章后才被广泛关注。1852年,65岁的欧姆被任命为
慕尼黑大学教授,两年后于德国曼纳希逝世,终身未婚。
欧姆的主要贡献是发现了
欧姆定律和欧姆
声学定律,提出
欧姆表(电流扭力秤)概念等,获得
伦敦皇家自然知识促进学会颁发的科普利奖章。后人为纪念欧姆,将电阻单位定为“欧姆”,简称“欧”。欧姆的名字亦被用于其他相关技术中,比如“欧姆接触”,“欧姆杀菌”,“欧姆表”等。
人物生平
早年经历
乔治·西蒙·欧姆出生在德国
巴伐利亚州城市拜罗伊特(当时属于
神圣罗马)
埃尔朗根的一个新教家庭,父亲是锁匠约翰-沃尔夫冈-欧姆(Johann Wolfgang Ohm),母亲是埃尔兰根一位裁缝的女儿玛丽亚-伊丽莎白-贝克(Maria Elizabeth Beck)。欧姆的父亲虽然没有受过大学教育,但他自学能力很高,并能通过当老师给儿子们提供良好的教育。父母所生的七个孩子中,只有三个活了下来。弟弟马丁·欧姆(Martin Ohm)和妹妹伊丽莎白-芭芭拉(Elizabeth Barbara),弟弟后来成为
德国数学家。
欧姆十岁时母亲去世,父亲自学数学和物理知识,成为欧姆的首位老师。受其父影响,欧姆爱好物理和数学,尤其是数学天赋异于常人。欧姆十一岁时就读中学,接受正规的学校教育。后来得到了埃尔朗根大学教授朗格斯多夫的赏识,前往大学读书。
求学经历
1805年,16岁的欧姆进入埃尔朗根大学学习数学、物理和哲学。他并没有把精力放在学习上,而是花在跳舞、滑冰和台球等娱乐活动上。欧姆的父亲对于欧姆如此浪费受教育的机会,而感到非常愤怒,加上生活困难,欧姆不得不辍学被送到瑞士当一名中学教师。
1809年初,卡尔·克里斯蒂安·冯·朗格斯多夫(Karl Christian von Langsdorf)离开
埃尔朗根大学,前往
海德堡大学任职。欧姆想在海德堡跟随朗斯多夫重新开始他的数学研究。朗格斯多夫建议欧姆自学数学,并建议欧姆阅读
莱昂哈德·欧拉(Euler)、
皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Laplace)和拉克鲁瓦(Lacroix)的作品。1811年4月,欧姆回到埃尔朗根大学。
欧姆通过自学,于1811年回到
爱尔兰大学,参加大学生考试,在同年10月25日取得博士学位。大学毕业后,他起先在爱尔兰教数学,因收入菲薄,三个学期后就离开了。
巴伐利亚州政府为他提供了在班贝格一所质量较差的学校担任数学和物理教师的职位,他于 1813 年1月就职。1813年,欧姆到班贝格(Bamberg)皇家高级中学教数学和拉丁语。1817年,欧姆被聘为
科隆(Cologne)耶稣中学的数学、物理教师。在这里他研究了
约瑟夫·拉格朗日、
皮埃尔-西蒙·拉普拉斯、傅立叶等人的经典著作。自1820年起,他开始研究
电磁学。
教学生涯
1825-1827年间,欧姆主攻
电学,对
导线中的电流进行了研究。他从
让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier)发现的
热传导规律受到启发,导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为,电流现象与此相似,猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力,即所称的
电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进行研究,他使用了
温差电池和扭秤,经过多次试验和归纳才获得成功。1826年在
德国《化学和物理学杂志》上发表第一篇论文《金属导电定律的测定》,论证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。英国学者巴劳(P.Barlow)发现1电流在整个电路的各个部分都是一样的,这个结论启发了欧姆,这使得他想到可以把
磁力(
电流)作为电路中的一个基本量,在进一步实验中终于得出了
欧姆定律(X=a/(b+x)式中X表示电流强度,a表示
电动势,b+x表示
电阻,b是电源内部的电阻,x为外部电路的电阻。
逆境生活
1827 年,欧姆出版了自己的书之后给教育部长舒尔兹赠送一本,请求苏尔兹把自己安排在大学工作。作为
格奥尔格·威廉·弗里德里希·黑格尔主义者的苏尔兹对欧姆的工作毫不在意,只把他安排到一所军校。
物理学家鲍尔(G.E.Pohl)首先撰文攻击欧姆的《伽伐尼电路的数学论述》,说这本:“它唯一目的是要亵渎自然的尊严”,他还蛊惑人心说:“以虔诚眼光看待世界的人不要去读这本书,因为它纯是不可置信的欺骗,它的唯一的目的是要亵渎自然的尊严”。面对鲍尔的这种专横武断,欧姆决定给与公开的回击。《文学杂志》主编布朗德斯(Blondus)劝他暂时忍气吞声,因为鲍尔是位黑格尔主义者,有很强的实力。
1829年3月30日,欧姆给
路德维希一世写信以求公断,信中写道:“……我的科学著作是具有广泛影响的,它已受到公众的注意。我遗憾地说,现在我只遇到唯一的反对者——鲍尔,他的观点是建立在
格奥尔格·威廉·弗里德里希·黑格尔原理的基础上的”。国王把欧姆的信交给
巴伐利亚州科学院,责令组成一个学术委员会专门讨论欧姆的著作,以断其高低。委员会成员意见不一,最后征求哲学家
谢林的意见。谢林当时正与国王保持着通信来往,在科学界颇有影响,但谢林拒绝作任何评价,更不愿意建议国王给欧姆安排一个理想的工作。欧姆给斯威格的一封信上说:“《伽伐尼电路的数学研究》的诞生已经给我带来了巨大的痛苦,我真抱怨它生不逢时,因为深居朝廷的人学知浅薄,他们不能理解它的母亲的真实感情。"
否极泰来
1833年,
巴伐利亚州国王
路德维希一世在需要用人时想起了欧姆,随即任命他为
纽伦堡(Nuremberg)理工学院物理学教授。这一举措让欧姆的工作和生活重归正传。1835 年,欧姆被委任为巴伐利亚科学教育督察并兼
埃尔朗根大学
高等数学系主任。
1839年,
法国物理学家克劳德·普雷特(Claude Pouillet)在实验中多次引用
欧姆定律,确认了欧姆的实验结果。
英国物理学家
查尔斯·惠斯通(Charles Wheatstone)又重新核对了欧姆的实验结果。
1841 年,伦敦皇家学会授予他作为该学会最高科学奖的一枚
科普利奖章(Copley Medal),并且宣称欧姆定律是“在精密实验领域中最突出的发现”,欧姆才得到学界的普遍认可。1852年,欧姆正式成为
慕尼黑大学的物理教授。1854年7月6日,欧姆去世,被埋葬在
慕尼黑市郊的Sudliche Friedhof公墓坟场。1864年英国科学促进会为了纪念他在电路理论方面的贡献,决定用欧姆的名字作为
电阻单位的名称。
主要成果
欧姆定律
定义
在同一电路中,通过某段的电流与这段
导体两端的电压成正比,与这段导体的电阻成反比。
研究
在1825年至1827年间,欧姆开始研究电流和电压的关系,并通过一系列实验,精确测量电流和电压之间的相互作用。欧姆最初是利用电流通过
导体时产生的
热胀冷缩效应来测量
电流,但这种方法的精确度有限。随后,他决定利用电流的磁效应来测量电流。基于这一原理,欧姆发明了电流扭力秤,这一装置能够精确地测量电流强度。在之后的实验中欧姆制备了七根不同长度和粗细的
导体,并通过电流扭力秤测量了它们在电路中的表现。这些实验使他得出了一个关于电流、
导线长度和电路其他参数之间关系的初步公式:,对应于电流强度,对应于电源
电动势,和分别对应于外
电阻和电源的内阻。在进一步的实验中,欧姆研究了不同金属的相对
电导率。他发现,当导线的长度与横截面面积成比例时,它们的导电率
相等。
1826年,欧姆利用改进后的实验装置,最终揭示了一个规律:电流随电压成正比,却与电阻成反比。简而言之,增加电压会导致电流增加,而增加电阻则导致电流减小。这一发现为
电学领域奠定了坚实的基础。
1827年欧姆出版了《伽伐尼电路的数学论述》(“Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet”)一书,在书中他用数学方法从理论上推证了
欧姆定律:,式中为
导线中的
电流,为
电导率,为导线两端的
电势之差。除此之外,欧姆还得出了
导体的
电阻与导体的长度成正比,与导体的横截面积成反比的结论。他的工作与傅立叶对热在固体中传播的数学研究相呼应,将电现象与热现象进行了类比,进一步巩固了欧姆定律的理论基础。尽管欧姆的实验工作为他的理论提供了基础,但他在书中更多地从理论角度出发,提出了三个基本假设:第一个假设是关于“电在体内分布”的,假设电荷仅从一粒子直接转移到下一粒子,并与它们之间
电压成正比。另外两个假设是“纯实验性的”,涉及“电在周围空气中的分散方式”和“两种不同物质接触时电的出现”,并在此基础上发展了他的理论。这导致了当时的科学界对欧姆工作的误解,认为他的理论是纯粹的推理,而非基于实验。科学界受到当时主流的
流体理论的影响,而这一理论无法解释欧姆所提出的电流行为。由于缺乏科学界的支持,欧姆遭受了许多批评和孤立。
欧姆声学定律
欧姆声学定律(Ohm'sLawofAcoustics)认为人的
听觉系统是通过对声音各个成分来感知复合音的,而不是对一个声音的整体来感知的。
欧姆于1839–1843年间在《
物理年鉴》(Annu.Rev.Phys.Chem)发表了几篇声学论文。他的研究导致了一个关于组合音调定律的建立。欧姆指出,人耳是通过该定律来进行声音分析的。他认为,耳朵只能从空气的特定运动中获得音调的感觉,而空气中的颗粒都像钟摆一样在振荡。这个“欧姆
声学定律”统一了当时人们对声学的混乱理解,而且它对后来物理科学的许多应用和发展所产生的影响随处可见。
到了1862年,
赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann L. F. von Helmholtz,1821–1894)在他的著作《论音调的感觉作为音乐理论的生理基础》(On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of
音乐)中成功地用欧姆的理论来解释了
泛音与音乐的关系,于是重新唤起人们对欧姆
声学定律的关注。冯·亥姆霍兹在书中指出,根据欧姆的定律,与音乐中音调的组合相对应的空气的每一运动都能够被分解为简单振动的总和,并且每个这样的简单振动都对应着一个简单音调。耳朵对之敏感的,正是由空气相应运动的周期时间确定的这些音调。
电流扭力秤
欧姆在进行电流试验,碰到的第一个难题就是如何测量
电流。1799年,
意大利物理学家
亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·安纳塔西欧·伏特(Alessandro Volta)发明了
伏打电堆,为科学家们提供了能产生持续电流的电源。欧姆起初用伏打电堆作为电源,但由于当时技术水平较低,伏打电池很容易
极化,因而测量很不稳定。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。这种仪器主要是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。
主要作品
荣誉奖项
后世纪念
电阻单位
1864年,英国科学促进会提出以他的名字作为电阻单位。1960年第十一届国际计量大会上,将德国科学家乔治·西蒙·欧姆的名字正式命名为电阻单位(Ω)。
欧姆器件
除了众所周知的测量电阻用的“
欧姆表”(
电阻表),还有其它一些“欧姆器件”(Ohmic
device),它们是各种遵守
欧姆定律的器件。
欧姆接触
“
欧姆接触”(Ohmic contact)是两种
导体之间一种非整流电结,具有符合欧姆定律的线性“
电流电压”曲线。低
电阻的欧姆接触允许电荷在两个导体之间往两个方向流动,而且不会由于整流或者电压阈值而导致过度功耗甚至遭到阻塞。
欧姆加热
“
欧姆加热”(Ohmic heating),也称为
焦耳加热或电阻加热,是让电流通过食品或其他材料从而对它们加热的过程。
欧姆杀菌
“欧
欧姆杀菌”(Ohmic sterilization)是采用
电极将50–60Hz的
低频交流电直接导入食品物料进行欧姆加热而达到杀菌的效果。采用欧姆加热杀菌可获得比常规方法更快的加热
速率,缩短加热杀菌时间,并得到更高品质的产品。
人物轶事
欧姆从小家境困难,但受到良好的熏陶,父亲是个技术熟练的锁匠,还爱好数学和哲学。父亲对他在技术上的启蒙,使他从小就养成动手的习惯。物理是一门实验学科,如果只会动脑不会动手,那么就好像是用一条腿走路,走不快也走不远。欧姆要不是有这一手好手艺,木工、车工、钳工样样都能来一手,那么他是不可能获得如此成就的。在进行了电流随电压变化的实验中,正是欧姆巧妙地利用电流的磁效应,自己动手制成了电流扭秤,用它来测量
电流,才取得了较精确的结果。
相关评价
美国数学家和科学史家弗·
卡约里在《
物理学史》中评价道:“欧姆因为引入和定义
电动势、电流强度和
电阻的精确概念理应得到伟大的荣誉。”
英国物理学家
查尔斯·惠斯通在讲解他著名的“
惠斯通电桥”时明确地说:“我所描述的仪器和过程都是建立于欧姆在他关于
伏打电堆机理中创立的原则上的,那是一个完整漂亮的理论。”
人物关系
参考资料
Georg Ohm.Georg Ohm - New World Encyclopedia.2023-08-02