Перші дослідження опору провідників

Що таке провідник? Це чисто пасивна складова частина електричного кола, відповідали перші дослідники. Займатися його дослідженням - значить просто ламати собі голову над непотрібними загадками, бо тільки джерело струму являє собою активний елемент.

Такий погляд на речі пояснює нам, чому вчені, принаймні до 1840 р майже не проявляли інтересу до тих небагатьох робіт, які проводилися в цьому напрямку. Так, на другому з'їзді італійських учених, що відбувся в Турині в 1840 р (перший збирався в Пізі в 1839 р і придбав навіть якесь політичне значення), виступаючи в дебатах по доповіді, представленому Маріаніні, Де ла Рів стверджував, що провідність більшості рідин не є абсолютною, «а скоріше відносної і змінюється зі зміною сили струму». Але ж закон Ома був опублікований за 15 років до цього!

Серед тих небагатьох вчених, які першими стали займатися питанням провідності провідників після винаходу гальванометра, був Стефано Маріаніні (1790-1866). До свого відкриття він прийшов випадково, вивчаючи напруга батарей. Він зауважив, що зі збільшенням числа елементів вольтова стовпа електромагнітний вплив на стрілку не збільшується помітним чином. Це змусило Маріаніні відразу ж подумати, що кожен вольтів елемент представляє собою перешкоду для проходження струму. Він робив досліди з парами «активними» і «неактивними» (т. Е. Що складаються з двох мідних пластинок, розділених вологою прокладкою) і дослідним шляхом знайшов відношення, в якому сучасний читач дізнається окремий випадок закону Ома, коли опір зовнішньої ланцюзі не береться до увагу, як це і було в досвіді Маріаніні.

Георг Симон Ом (1789-1854) визнавав заслуги Маріаніні, хоча його праці і не надали Ому безпосередній допомоги в роботі. Ом надихався в своїх дослідженнях роботою «La theorie analytique de la ehaleur» ( «Аналітична теорія тепла», Париж, 1822 г.) Жана Батіста Фур'є (1768-1830) - одного з найбільш значних наукових робіт усіх часів, дуже швидко стала популярною і високу оцінку серед математиків і фізиків того часу. Ому прийшла думка, що механізм «теплового потоку», про який говорить Фур'є, можна уподібнити електричного струму в провіднику. І подібно до того як в теорії Фур'є тепловий потік між двома тілами або між двома точками одного і того ж тіла пояснюється різницею температур, точно так же Ом пояснює різницею «електроскопіческіх сил» в двох точках провідника виникнення електричного струму між ними.

Дотримуючись такої аналогії, Ом почав свої експериментальні дослідження з визначення відносних величин провідності різних провідників. Застосувавши метод, який став тепер класичним, він підключав послідовно між двома точками ланцюга тонкі провідники з різних матеріалів однакового діаметра і змінював їх довжину так, щоб виходила певна величина струму. Перші результати, які йому вдалося отримати, сьогодні здаються досить скромними.

Історики уражаються, наприклад, тим, що за вимірюваннями Ома срібло має меншу провідність, ніж мідь і золото, і поблажливо приймають дане згодом самим Омом пояснення, згідно з яким експеримент проводився з срібною дротом, покритої шаром масла, і це вводило в оману щодо точного значення діаметра.

У той час було безліч джерел помилок при проведенні дослідів (недостатня чистота металів, труднощі калібрування дроту, труднощі точних вимірювань і т. П.). Найважливішим же джерелом помилок була поляризація батарей. Постійні (хімічні) елементи тоді ще не були відомі, так що за час, необхідний для вимірювань, електрорушійна сила елемента істотно змінювалася. Саме ці причини, що викликали помилки, призвели до того, що Ом на підставі своїх дослідів дійшов логарифмічною закону залежності сили струму від опору провідника, включеного між двома точками ланцюга.

Після опублікування першої статті Ома Поггендорф порадив йому відмовитися від хімічних елементів і скористатися краще термопарою мідь - вісмут, незадовго до цього введеної Зєєбеком. Ом прислухався до цієї поради і повторив свої досліди, зібравши установку з термоелектричної батареєю, в зовнішню ланцюг якої включалися послідовно вісім мідних дротів однакового діаметра, але різної довжини. Силу струму він вимірював за допомогою свого роду крутильних ваг, утворених магнітною стрілкою, підвішеній на металевої нитки. Коли струм, паралельний стрілкою, відхиляв її, Ом закручував нитку, на якій вона була підвішена, поки стрілка не виявлялася в своєму звичайному положенні; сила струму вважалася пропорційної кутку, на який закручуватися нитку.

Ом прийшов до висновку, що результати дослідів, проведених з вісьмома різними дротами, «можуть бути виражені дуже добре рівнянням

Х = a / (b + х),

де X означає інтенсивність магнітного дії провідника, довжина якого дорівнює х, а а і b - константи, що залежать відповідно від збудливою сили і від опору інших частин ланцюга »

Умови досвіду мінялися: замінялися опору і термоелектричні пари, але результати все одно зводилися до наведеної вище формулою, яка дуже просто переходить в відому нам, якщо замінити X силою струму, а -електродвіжущей силою і (b + х) - загальним опором ланцюга.

Отримавши цю формулу, Ом користується нею для вивчення дії мультиплікатора Швейггера на відхилення стрілки і для вивчення струму, який проходить у зовнішній ланцюга батареї елементів, в залежності від того, як вони з'єднані - послідовно або паралельно. Таким чином він пояснює (як це робиться тепер у підручниках), чим визначається зовнішній струм батареї, - питання, який був досить темним для перших дослідників.

Ом сподівався, що його експериментальні роботи відкриють йому шлях до університету, чого він так бажав. Однак статті пройшли непоміченими. Тоді він залишив місце викладача в кельнської гімназії і відправився в Берлін, щоб теоретично осмислити отримані результати. У 1827 р в Берліні він опублікував свою головну працю «Die galvanische Kette, mathe-matisch bearbeitet» ( «Електрична ланцюг, розроблена математично»).

Ця теорія, при розробці якої він надихався, як ми вже вказували, аналітичної теорією теплоти Фур'є, вводить поняття і точні визначення електрорушійної сили, або «електроскопіческой сили», як її називає Ом, електропровідності (Starke der Leitung) і сили струму. Висловивши виведений ним закон в диференціальної формі, наведеній сучасними авторами, Ом записує його і в кінцевих величинах для окремих випадків конкретних електричних ланцюгів, з яких особливо важлива термоелектрична ланцюг. Виходячи з цього, він формулює відомі закони зміни електричної напруги вздовж ланцюга.

Але теоретичні дослідження Ома також залишилися непоміченими, а якщо хто-небудь і писав про них, то лише для того, щоб висміяти «хворобливу фантазію, єдиною метою якої є прагнення принизити гідність природи». І лише років десять тому його геніальні роботи поступово почали користуватися належним визнанням: в Німеччині їх оцінили Поггендорф і Фехнер, в Росії - Ленц, в Англії - Уитстон, в Америці - Генрі, в Італії - Маттеуччі.

Одночасно з дослідами Ома у Франції проводив свої досліди А. Беккерель, а в Англії - Барлоу. Досліди першого особливо чудові введенням диференціального гальванометра з подвійною обмоткою рамки і застосуванням «нульового» методу вимірювання. Досліди ж Барлоу варто згадати тому, що вони експериментально підтвердили сталість сили струму у всій ланцюга. Цей висновок був перевірений і поширений на внутрішній струм батареї Фехнером в 1831 р, узагальнено в 1851 р Рудольфом Кольраушем (1809-1858) на рідкі провідники, а потім ще раз підтверджено ретельними дослідами Густава Нідмана (1826-1899).

Маріо Льецці "Історія фізики"