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欧姆定律的由来

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【摘要】这条今天看似简单明了的方程式，在1825年初次提出时，却费了无数的智慧、勇气和努力。

今天，欧姆定律（Ohm's Law）是电学和电子学里面，最有用和最常用的定律之一。这定律是说：流经一导体（或电阻）的电流量，等於外施电压除以这个导电材料的电阻。以数学的措辞来说，这个等式通常表记为I＝E/R。然而，这条今天看似简单明了的方程式，在一八二五年初次提出时，却费了无数的智慧、勇气和努力。德国物理学家兼数学家欧姆（Georg Simon Ohm），就是一位具有这种智慧和勇气的人。

电流在当时的科学家的认识中是一种带有神秘性的「加凡尼流体」（galvanic fluid），但是由静电所产生的电流的难以捉摸和稍纵即逝的天性，却使他们很难做任何有意义的研究。

到了一八○○年初，由於亚历山卓‧伏特（Alessandro Volta）正式宣布发现了电池，而使情势完全改观。他这种堪称近代湿电池先祖的「水电池」（hydro-electric battery），使科学家头一次有了源源不断的电流来源。美中不足的是，有将近20年的时间，凡是电流的研究，都不免受困於一项严重的缺点——没有测度电流量的方法。

一八二○年，当奥斯特（Oersted）证明：一股电流流经一根电线，会产生磁场时，这项困扰终获突破。一年后，史怀吉（Schweigger）和浦根道夫（Poggendorff）利用奥斯特的发现，发明了验电流器——一种粗糙的电流计，在一只普通的罗盘周围，缠上数百圈电线制成。电流流过电线产生的磁场，会使罗盘的指针按一比例量偏转。

当时在科隆（Cologne）的一所中学教数学和物理的欧姆，灵机一动，认为可结合伏特的水电电池和验电流器，来研究电流的性质。

欧姆用他自己制作的器材，打算找出验电流器中指针的偏转量、外施电压和导线长度之间的确切关系。他首先把验电流器和电池直接连接起来，仔细记下罗盘指针的位置。由此获得一个参考读数。然后他把一截已知组成和长度的电线，接进电路，并记录下指针的新位置。这是他的实验读数。当然，在实验的状况下，这根受测电线的电阻，会使指针显示较小的偏转量。

一八二五年，欧姆在一篇论文中，报告了他的初步发现，论文的题目是：「金属传导接触电（contact electricity）的定律初识」。 欧姆发表了这篇论文竟然吃力不讨好，足足困恼了他16年。

就学术上来说，欧姆在论文里提出的方程式并不正确。这条方程式是：υ=m ㏒(1+x/r)；此处υ是指针偏转的减少量，x代表导体的长度，r代表导电材料的电阻系数，而m代表外施电压的大小。

就在欧姆的论文已排定日程要付印之前，他用一种不同的电源，重做了几项实验。结果并不符合他原先的发现，同时他马上看出还能求得更为简单、不含对数项的方程式。可是，等到他去和出版商接头时，论文已经印好了；他能提出的最好办法，就是发表一封短信，允诺要做一系列新的实验。欧姆说他要证明：当导体的长度接近无限时，流经一电路的电流量会变成零。这一小段涉及数学方面的话，又构成另一个错误——这次是政策上的。他的信暴露出在收集大量的资料以前，就玩弄方程式，因而激怒了当时大多数的科学家。

欧姆的错误方程式，是由於对电池的基本理论，普遍缺乏认识的结果。欧姆想中止论文的出版，但因时间太迟而没有达到目的，过后他才了解，他用了一个不稳定的电源——输出电压会随负荷的大小而变动。

欧姆在科学界还不算是孤军奋斗，也有几个支持他的人，其中之一的浦根道夫，建议他采用席贝克热电电池（Seebeck thermoelectric battery），而舍弃伏特的水电电池。

席贝克在一八二一年发现了热电效应，而利用这个效应制成的第一个实用装置A就是热电电池。所谓席贝克效应，就是两根相异、紧密缚结在一起的导体，当其中的一根受热时，两导体间会产生电压。热电电池的输出电压虽小，但内阻也小。所以，欧姆就用稳定的热电电池和验电流器，来重做他所有的实验。从他一连串新实验中获得的数据，能满足今天我们叫做欧姆定律的方程式。

一八二六年，欧姆准备向全世界表明，他已彻底了解他所谈论的课题了。他的第二篇论文题目是：「金属传导接触电所依定律的确定，以及伏特的电池和史怀吉验电流器理论的要点。」这条经过修正的方程式是X=a/(b+x)；此处X代表流经导体的电流量，a代表激励电压，x是受测导体的电阻，b是电源和验电流器的总内阻。

一八二七年初，欧姆又发表了他在科学史上，第三篇重大的论文，题目是：「加凡尼电池的数学论述」（The Galvanic Battery Treated Mathematically）。当时他想自己提出错误方程式的事，已经完全辩解清楚，并确信他的同事终会接受他的电传导定律。

可是，科学界仍不准备接纳欧姆和他的成果。首先，对於一个考验了欧美一流科学家将近30年的现象，这条方程式似乎太简单了——简单得好像远不足以来解释这个现象。当然，欧姆继第一篇论文后所发表的信中，引起广泛误解的声明，也是不利的因素。大多数颇有声誉的科学家，仍把欧姆视为一个大言不惭的家伙。满怀痛苦和失望的欧姆只得重新拾起了教鞭。

六年的时光又匆匆逝去，终於有少数颇具影响力的科学家，开始来正视欧姆的成果了。这都多亏了波利特（Pouillet）在一八三一年发表的一篇论文，才触发了这种兴趣的轻缓转变。彼利特曾不经意的重做了欧姆的实验，而获致完全一样的结果。波利特以为他才是电传导定律的创始人，当时大多数的科学家也是这麼想。不过公道自在人心，有几位科学家注意到，欧姆的成果和波利特的论文间，有强烈的相似处。

一八四一年，也就是欧姆宣布了他的电传导定律后的16年，英国皇家学会（British Royal Society）颁给他考甫莱（Coply）金质奖章，把他的成就誉为：「在精确研究的领域里最堪注意的发现。」欧姆总算因他的成就，得到了应得的荣誉，因迟来的赞扬而获得了正式的道歉，并心安理得地接受同侪们一次又一次的喝采。

欧姆在一八五四年逝世；而在整整十年后，英国科学促进协会（British Association for the Advancement of Science），正式通过以欧姆做为电阻的测量单位。从此，欧姆就像安培和伏特一样，列入了近代世界各地电机工程师和技术人员的日常用语，而得以永垂不朽。

（译自 Popular Electronics, May. 1972）

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