介紹
歐姆在很多方面的科學貢獻都是極其巨大的，他的實用價值是無法估量的。
陳冠榮| 作者
基本電路中電流、電壓、電阻的關系為：電流=電壓÷電阻。 這就是電學中最基本的“歐姆定律”：在常溫條件下，流過某一導體的電流與導體兩端的電壓成正比，與導體本身的電阻成反比。 其中，電流的單位為安培（A），電壓的單位為伏特（V），電阻的單位為歐姆（Ω）。 這種關系之所以被稱為歐姆定律而不是安培定律或伏特定律，是因為它是由歐姆發現的。 至于其單位符號，用Ω代替O，只是因為后者容易與“零”混淆。 另外，Ω的第一個字母，即Omega，恰好是O。
有趣的是，這個公式非常國際化：沃爾特（Volta，1745-1827）是意大利物理學家，安培（André-Marie Ampère（1775-1836）是法國物理學家，喬治·西蒙·歐姆（Georg Simon Ohm，1789-1854）是德國物理學家。
圖1 歐姆肖像
一
歐姆于 1789 年 3 月 16 日出生于德國巴伐利亞州埃爾蘭根的一個新教家庭。 他的父親約翰（1753-1822 年）是一位世襲鎖匠，母親瑪麗亞·貝克（1763-1799 年）是裁縫大師的女兒。 歐姆是七個兄弟姐妹中的長子，其中四人不幸在童年時期去世，留下他、他的兄弟馬丁（歐姆，1792-1872 年）和妹妹伊麗莎白（B. 歐姆，1794-1872 年）。 同樣不幸的是，孩子們還不到十歲時，母親就去世了。
歐姆的父母從未接受過正規教育。 我的父親是一個正直、勤奮的人。 他通過自學獲得了高水平的數理化知識，足以讓孩子接受優秀的家庭教育。 歐姆從11歲到15歲就讀，接受了相對系統的知識修養和思維訓練。 歐姆15歲時，他和弟弟接受了埃爾蘭根大學Karl C. von 教授的采訪。 教授發現歐姆兄弟在數學方面有著異常杰出的天賦，并在結論中寫道：“鎖匠之家將誕生又一對伯努利兄弟。” 后來，他的弟弟馬丁成為了柏林軍事學院著名的數學教授，而他哥哥的故事則更加精彩，但也更加曲折。
1805年，16歲的歐姆進入埃爾蘭根大學學習數學和物理。 然而，歐姆并沒有專注于他的學業。 他大部分時間都在跳舞、滑冰和打臺球。 當他的父親知道后，非常生氣，并于第二年把他送到瑞士，讓他遠離那些頑皮的朋友。 歐姆在一位書商的協助下，在尼道市一所牧師開辦的學校擔任數學導師。 很快，牧師兼校長寫信給書商的推薦人，說道：“當我第一次看到這個十八歲的男孩時，我簡直不敢相信他就是你推薦的老師。不過，我很快就相信了。他的優點和能力。”
然而，歐姆在一年多后放棄了這個職位，搬到納沙泰爾的一所私立學校學習數學和法語。 此時，馮·朗斯多弗教授決定到海德堡大學任教。 教授與歐姆保持聯系，并敦促他閱讀萊昂哈德·歐拉（ Euler，Euler，1707-1783）、皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（-Simon ，-Simon，1749-1827）和西爾維·拉克魯瓦（F. ，1765-1843）的數學著作。
1811年初，歐姆回到埃爾蘭根大學。 10月25日，他憑借畢業論文《光與色彩》（Licht und）獲得哲學博士學位。 此時，他的研究方向仍然是物理，主要是力學和光學，尤其是彩色光學。 盡管他繼續學習了一些數學課程，但經濟拮據迫使他放棄了對高等數學的追求。
1812 年 7 月 28 日，歐姆寫信給巴伐利亞國王路德維希一世（I，1786-1868），請求擔任教職。 12月16日，國王任命他為班貝格大學學生會導師。 然而，他在那里的生活并不如意，因此他多次寫信給國王和當局，要求遷居。 但這一次事情并沒有按預期進行，沒有結果。
1817 年，歐姆出版了他的第一本書《在預科學校正確設置幾何課程作為向高等教育過渡的指南》(zu einer ??igen der als h?heren an)。 他向巴伐利亞國王寄了一份副本，并再次請求他的幫助。 王室回復稱，國王未能安排與他會面的時間，但他的書籍已放在圖書館里。
幸運的是，歐姆還將這本書送給了其他幾位在位君主，包括普魯士國王弗里德里希·威廉三世（III，1770-1840）。 普魯士國王很欣賞歐姆。 于是，同年秋天，歐姆找到了一份新工作，來到了當時普魯士的一座城市科隆，擔任物理和數學的高級教師。 在那里，他得到了大量的空閑時間，尤其是學校實驗室充足的物理設備，使他能夠很好地研究電學。
隨后歐姆全身心投入到他最喜歡的教學和科學研究中。 在教學上，他認真上課，積極引導學生朝著理想的人生發展。 他獲得了學校頒發的特別獎。 在科學研究方面，長期以來，他選擇在數學和物理之間交替探索。 當時，盡管他的認真努力幾乎沒有得到賞識，而且他意識到自己永遠不會結婚，但他仍然決心致力于科學。 當時，他的首要目標是徹底解釋電路原理。
歐姆首先開始研究電流產生的電磁力的增減與導線長度的關系，并于1825年5月發表了他的第一篇論文。不過，后來發現文章中的公式是錯誤的。 主要原因是電流測量儀器的不準確和伏打電池電壓的不穩定。 另外，當時人們還沒有反抗的概念。 歐姆僅用于金屬電導率。 在計算的基礎上進行了實驗分析。
1826年，歐姆改進了電流檢測器歐姆接觸(Ohmiccontact)物理知識大全，采用了穩定的電源，隨后通過更加準確可靠的實驗導出了新的電定律。
1826年4月，歐姆意識到，如果他能徹底擺脫教學的束縛，他就有足夠的時間建立完整的電路基礎理論。 作為一個年輕人，他相當自負，對此深信不疑。 于是他非常有禮貌地向學校提出申請，并獲準休教一整年。 他離開科隆，來到柏林哥哥的家中。 歐姆這一年休息期間最重要的成就是1827年5月在柏林出版了一本新書《Die Kette》。這本書綜合了他在1825年和1826年發表的兩篇論文，完整地描述了他發現的電學定律。 歐姆的重要著作后來于 1841 年被翻譯成英語，1847 年被翻譯成意大利語，1860 年被翻譯成法語。
圖2 歐姆1827年出版的書《電流的數學計算》
歐姆在書中正式介紹了“電阻”的概念，并詳細描述了他的新電學定律。 然而，當這個“歐姆定律”問世時，卻陷入了困境。 盡管該定律很快被實驗物理學家 (T., 1801–1887)、 WA Pfaff (1774–1835) 和 (C., 1796–1877) 采用，但遭到了截然相反的反應來自其他一些物理學家。 路德維希·卡姆茨（ K?mtz，1801-1867）首先提出了較為溫和的批評，隨后格奧爾格·F·波爾（Georg F. Pohl，1788-1849）表達了強烈的反對。 玻爾甚至在《Jahrbücher für》（科學批判年鑒）上發表文章嚴厲批評歐姆提出的概念和定律，讓歐姆不得不做出強烈回應。
當時遭到強烈反對的原因是，一方面，歐姆寫的數學分析相當復雜、混亂，未能清楚地表達自己的想法； 另一方面，歐姆的結論與當時物理學界公認的常識相反，即電池產生的電流與電勢無關。 沖突如此激烈，以至于歐姆與物理學界一些同事的友誼和合作破裂了，這讓歐姆非常沮喪。 歐姆最終放棄了在科隆的工作，從1827年到1833年退休回到家鄉，無視所有的評論和批評。 那時，他的生活十分貧困。
1833年，巴伐利亞國王路德維希一世在需要人選的時候想到了歐姆，并立即任命他為紐倫堡理工學院的物理學教授。 這一舉動讓歐姆的工作和生活恢復了正常。 1835 年，歐姆被任命為巴伐利亞科學教育督察和埃爾蘭根大學高等數學系主任。
1827年歐姆的書出版后，“歐姆定律”在他不知情的情況下受到了多方面的檢驗。 1831年至1837年間，法國索邦大學物理學家克洛德·普耶（歐姆接觸(Ohmiccontact)物理知識大全，SM，1790-1868）通過各種實驗有效證明了這一定律的正確性。 據說，普耶如此專注于他的實驗，他幾乎以為自己發現了規律。
在長達十多年的關于歐姆定律的激烈爭論中，歐姆從未放棄，盡管他后來放棄了參與。 事實上，最后歐姆贏了，但過程卻相當戲劇化。
故事始于英國電氣工程師威廉·斯特金（ ，1783-1850 年），他因 1825 年發明電磁鐵而聞名。1836 年，斯特金創辦了一本雜志《電、磁和化學年鑒》（ of , and ，包括 、 和 ），并于1837 年，他出版了居住在德國的俄羅斯工程師 H. （H.，1801-1874 年）的著作。 翻譯一篇有關電動機的文章。 這位工程師的兄弟是著名數學家卡爾·G·J·雅可比（Carl GJ ，1804-1851 年），他為他的兄弟寫了一篇關于電動機數學理論的筆記。 在文中，他清楚地描述并應用了歐姆定律。 他寫道：“歐姆先生建立的理論......非常簡單，并且與我對伏打電池所有現象的理解非常一致，因此我毫不猶豫地采用了它。”
1838年，倫敦國王學院教授、英國皇家學會院士查爾斯·惠斯通（ ，1802-1875）作為英國科學促進會編委會成員，主持翻譯出版了歐姆1827年的著作。 這個翻譯使許多英國科學家熟悉、支持甚至欽佩歐姆及其定律。 后來，在解釋他著名的“惠斯通電橋”時，惠斯通明確表示：“我描述的儀器和過程都是基于歐姆在他的伏打電池理論中建立的原理，這是一個完整而美麗的理論。”
1841年，歐姆終于取得了最后的勝利。 倫敦皇家學會授予他科普利獎章，這是該學會的最高科學獎項，以表彰他發現新的電定律。 評獎委員會作出最終決定，正式宣布是歐姆首先確立了這一非常重要的電路基本定律。 次年，倫敦皇家學會也選他為外籍院士。
值得一提的是，倫敦皇家學會將最高科學獎授予了電路基本定律的三位主角：意大利的伏特（1794年）、法國的安培（1820年）和德國的歐姆（1841年）。 ，而且其中沒有英國人。
事實上，這個科普利獎章是一個國際獎項。 它的含金量有多高？ 我們來看看按年份排列的著名獲獎科學家和數學家名單：富蘭克林、卡文迪什、戴維、法拉第、高斯、韋伯、達爾文、焦耳、馮·亥姆霍茲、西爾維斯特、凱利、開爾文勛爵、赫胥黎、斯托克斯、維爾斯特拉斯、羅利勛爵、吉布斯、門捷列夫、華萊士、克萊因、巴甫洛夫、盧瑟福、愛因斯坦、霍普金斯、普朗克、玻爾、摩根、哈代、狄拉克、利特爾伍德、阿蒂亞、霍金、羅伯特·梅、希格斯、威爾斯、古迪納夫，等等。
自此，歐姆定律正式確立，它適用于所有純電阻類型的導電系統，包括金屬和電解質。 很快它的用途就擴展到了更廣泛的電氣工程領域，首先從金屬導體延伸到電解質，然后延伸到電介質、電弧線，最后延伸到熱電子管。 而且，通過數學推導，將電感、電容、電阻統一在歐姆定律之下。 當然，后來了解到歐姆定律在極低的溫度以及氣體和半導體等介質中并不成立，但這與本文的故事無關。
圖3 歐姆使用的實驗儀器（德國博物館）
以歐姆定義的電阻自然就是“正電阻”。 但物理學家立即想到了相反的情況。 1896年夏天，英國學術界就電弧線是否存在“負電阻”展開了熱烈的討論。 這場爭論是由英國皇家學會會員、電氣工程師西爾瓦努斯·湯普森（ ，P.，1851-1916）在倫敦物理學會的一次會議上發起的，他持消極的一方。 英國皇家學會院士、電氣工程師威廉·埃爾頓（ Elton，1847-1908 年）對此提出了強烈反駁。 兩個團隊經過數周的激烈辯論后，決定將此事提交給備受尊敬的數學家、物理學家和電氣工程師奧利弗·赫維賽德（ ，1850-1925 年）。 7 月 28 日，赫維賽做出以下裁決：
有人問我對消極抵抗有何看法。 我的意思很簡單，如果一個物體確實遵循歐姆定律，電壓V=RI，焦耳定律，熱量H=I2Rt，但電阻R是負而不是正，那么它就有負電阻。 一些討論負電阻（和其他量）影響的論文引起了我的注意，其中的論點很有趣且具有啟發性。 但由于它們普遍不穩定，我對物體永久負電阻的可能性沒有任何信心。 不過，我并不打算否認，某種物質在適當的情況下，特別是處于物質不斷變化的狀態下，可能會暫時表現出近似負的電阻。 ……至于從這個角度看弧線是否方便，這不是我能說的，因為我對弧線了解不夠。
圖4 歐姆的三個主要著作
歐姆完成新電定律的工作后，他將注意力轉向分子物理學。
1845年，歐姆當選為巴伐利亞科學院院士。 直到 1849 年，他一直與紐倫堡理工學院保持聯系，在此期間他還擔任校長。 1849年，他被巴伐利亞國王馬克西米利安二世（II，1811-1864）任命為慕尼黑大學物理學教授，并被巴伐利亞科學院任命為數學和物理系主任。 此外，他還擔任國家電報開發項目的顧問。 這些多重責任阻止了歐姆繼續他的分子物理學研究。 1849年，作為其階段性研究成果的總結，歐姆出版了《對分子物理學的貢獻》（Beitr?ge zur -）一書。 1852年，歐姆晉升為慕尼黑大學物理學講座教授。
圖5《歐姆的綜合分析》（1892）
1892年，諾貝爾物理學獎獲得者、慕尼黑大學教授歐根·C·J·馮（Eugen CJ von，1837-1899）編輯出版了《歐姆的綜合分析》（von GS Ohm）一書，該書收錄了歐姆三十多年來的主要研究成果，共有23章855頁。 本書涵蓋的主題相對較少，但介紹完整且透徹。 它向世界表明，歐姆的目標從一開始就很明確。 他決心建立金屬導體中的電流定律。 歐姆還研究了為金屬導體建立的電流定律是否也適用于液體的問題，并得到了肯定的答案。
二
歐姆的其他一些科學貢獻也值得一寫。
1822 年，約瑟夫·傅立葉（ ，JB，1768-1830）發表了他的著名著作《熱分析理論》（Théorie de la ）。 這本書適時地影響了歐姆。 歐姆認為傅立葉和西蒙-丹尼斯（1781-1840）的熱傳導方程也可以應用于電力的傳播，并寫出了相應的微分方程。 后來，詹姆斯·麥克斯韋（James C. ，1831-1879）充分肯定了歐姆的工作，但他認為歐姆對電和熱的類比是不恰當的。 不過，麥克斯韋指出，雖然歐姆的觀點本身是錯誤的，但他用傅里葉方程來表達長導線的傳導定律是正確的。 赫維賽同意麥克斯韋的觀點，解釋道：“為什么歐姆用錯誤的方法得到了正確的結果？原因很簡單：要么電流存儲在電線的材料內部，要么到達電線的表面并停留在那里，它們的方程形式完全相同。”
歐姆還花了很多時間試圖解釋柏林大學物理學教授 JP Adolf Erman（1854-1937）關于“單極”導體（即只有“正極”或“負極”極的導體）的實驗。存在問題。 歐姆聲稱，通過實驗，他發現了一類完美導體，比其他導體更容易導電。 例如，他將兩根金屬線放入一塊非常干燥的堿性肥皂中，每根金屬線都連接到電池的一個電極。 他發現，當肥皂與導電體接觸時，負極就會放電； 當除去肥皂并將負極接地時，正極獲得相應的電位。 他用磷火、酒精火焰和其他火焰進行的實驗都發現了相同的結果，只不過觀察到正極在火焰中放電。 為此，他引入了“單極正”和“單極負”的術語。 1830年，歐姆就這個問題寫了一篇論文，發表在《化學年鑒》（der）上。
由于各種原因，整個歐洲有關這一主題及相關主題的文獻長期占據了許多雜志的版面。 1838年，法拉第在《實驗研究》（）中也認真討論了磁單極子，但他指出：
如果存在一個單極子，一個可以傳導一種電但不能傳導另一種電的單極子，那么我們就會期望這種類型的單一電流具有許多新穎的特征。 它們應該很特別，不僅與普通電流不同，因為那么普通電流應該有兩種不同的電流同時從相反的方向等量流動，而且彼此不同！ 然而，安東尼·貝克勒爾（ ，C.，1788-1878）、托馬斯·安德魯斯（ ，1813-1885）等人逐漸對這種非同尋常的事實給出了更加正確的解釋。 我知道歐姆教授在仔細檢查所有現象的過程中完善了這項工作。 然而，在證明類似的現象可以發生在良導體上之后，他實際上證明了肥皂等許多效應只是電解進化的結果。
此后，對單極導體的研究逐漸消失。
當年，歐姆正確地發現導體的電阻與其長度成正比，與其截面積和電導率成反比； 并且在穩定電流的情況下，電荷不僅在導體的表面上移動，而且在導體的整個橫截面上移動。 然而，當時的人們并沒有意識到歐姆的發現為無數與功率傳播相關的問題提供了理論基礎。
還值得一提的是歐姆對聲學的貢獻。 1839 年至 1843 年間，歐姆在《物理化學年鑒》(der und) 上發表了多篇關于聲學的論文。 他的研究導致了組合音高定律的建立。 歐姆指出，人耳就是通過這個定律來分析聲音的。 他認為耳朵只能從空氣的特定運動中獲得音高感，空氣中的粒子像鐘擺一樣振蕩。 這條“聲學歐姆定律”統一了當時人們對聲學混亂的認識，其對物理科學許多后續應用和發展的影響隨處可見。 然而，歐姆聲學定律因其數學表達式的含糊性而遭到德累斯頓理工學院物理學家 （LFW，1805-1849）的強烈抵制。 歐姆被證明他的數學表達式存在一些錯誤和遺漏，最終自己放棄了。 此后，直到歐姆死后八年，這條法律幾乎被完全遺忘。 到了 1862 年，赫爾曼·馮·亥姆霍茲（ von ，1821-1894）在他的著作《論調性的感知作為音樂理論的生理學基礎》（Die Lehre von den als）中成功地運用了歐姆的理論。 該理論解釋了泛音與音樂之間的關系，從而重新引起人們對歐姆聲學定律的關注。 馮·亥姆霍茲在書中指出，根據歐姆定律，音樂中每一個音調組合所對應的空氣運動都可以分解為簡單振動的總和，而每一個這樣的簡單振動都對應著一個簡單的音調。 耳朵對這些音調敏感，這些音調由空氣相應運動的周期時間決定。 馮·亥姆霍茲的這本著名著作使歐姆聲學定律重新煥發活力。
最后，有幾個以歐姆命名的對象和術語值得一提。
除了眾所周知的用于測量電阻的“歐姆表”（）外，還有其他“歐姆器件”（Ohmic），它們是遵守歐姆定律的各種器件。
“歐姆接觸”（Ohmic）是兩個導體之間的非整流電結，具有符合歐姆定律的線性“電流-電壓”曲線。 低電阻歐姆接觸允許電荷在兩個導體之間雙向流動，而不會產生過多的功耗，甚至不會因整流或電壓閾值而造成阻塞。
歐姆加熱，也稱為焦耳加熱或電阻加熱，是讓電流通過食物或其他材料來加熱它們的過程。
“歐姆殺菌”是利用電極直接將50-60Hz低頻交流電引入食品原料中進行歐姆加熱，從而達到殺菌效果。 采用歐姆加熱滅菌可以實現比常規方法更快的加熱速率，縮短加熱滅菌時間，獲得更高質量的產品。
三
1854 年 7 月 6 日，歐姆不顧身體不適，參加了一個學術會議并發表演講。 當晚，他意外中風在家中去世，享年65歲，葬于慕尼黑郊區的一處墓地。
縱觀歐姆的一生，他在很多方面都做出了極其巨大的科學貢獻，其實用價值是不可估量的。 歐姆畢生的科學研究態度更值得后人學習和效仿。 綜上所述，他在做研究時始終遵循這樣的思維原則：實驗證明的真理是不可否認的，基于假設的斷言只有得到觀察的證實才應該被接受； 當理論能夠準確地證明計算形式之前，它是不可靠和不完善的，因此數學計算是檢驗理論假設的試金石。 他的實驗理念是：如果還沒有精確的測試結果，最好推遲判斷，直到有優秀的數據支持為止。
圖6 歐姆雕像（慕尼黑工業大學校園）
