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喬治·西蒙·歐姆

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格奧爾格·西蒙·歐姆(Georg Simon Ohm,1787年3月16日-1854年7月6日),德國物理學家。歐姆發現了電阻中電流與電壓的正比關係,即著名的歐姆定律;他還證明了導體的電阻與其長度成正比,與其橫截面積和傳導係數成反比;以及在穩定電流的情況下,電荷不僅在導體的表面上,而且在導體的整個截面上運動。電阻的國際單位制「歐姆」以他的名字命名。

1 喬治·西蒙·歐姆 -人物簡介

喬治·西蒙·歐姆喬治·西蒙·歐姆

喬治·西蒙·歐姆 (Georg Simon Ohm,1787—1845)一個天才的研究者,父親自學了數學和物理方面的知識,並教給少年時期的歐姆,喚起了歐姆對科學的興趣。然而他的成就對我們後人的意義是非常遠大的。

歐姆是德國物理學家,提出了經典電磁理論中著名的歐姆定律。為紀念其重要貢獻, 人們將其名字作為電阻單位。歐姆的名字也被用於其他物理及相關技術內容中,比如「歐姆接觸」「歐姆殺菌」,「歐姆表」等。

2 喬治·西蒙·歐姆 -人生經歷

早年生活
喬治·西蒙·歐姆歐姆

歐姆1787年3月16日出生於德國埃爾朗根的一個鎖匠世家,父親喬安·渥夫甘·歐姆是一位鎖匠,母親瑪莉亞·伊麗莎白·貝克是埃爾朗根的裁縫師之女。雖然歐姆的父母親從未受過正規教育,但是他的父親是一位受人尊敬的人,高水平的自學程度足以讓他給孩子們出色的教育。歐姆的一些兄弟姊妹們在幼年時期死亡,只有三個孩子存活下來,這三個孩子分別是他、他後來成為著名數學家的弟弟馬丁·歐姆(MartinOhm,1792年—1872年)和他的姊姊伊麗莎白·芭芭拉。他的母親在他十歲的時候就去世了。

幼年時期的初期,格奧爾格·西蒙和馬丁高程度的數學、物理、化學和哲學是受他們的父親所教。格奧爾格·西蒙在11歲至15歲時曾上埃朗根高級中學,在那裡他接受到了一點點科學知識的培養,並且感受到學校所教授的與父親所傳授的有著非常鮮明的不同。格奧爾格·西蒙·歐姆15歲時接受了埃爾朗根大學教授卡爾·克利斯坦·凡·蘭格斯多弗(KarlChristianvonLangsdorf)的一次測試,他注意到歐姆在數學領域異於常人的出眾天賦,他甚至在結論上寫道,從鎖匠之家將誕生出另一對伯努利兄弟。

大學生活

1805年,16歲的歐姆進入埃爾朗根大學學習數學、物理和哲學。他並沒有把精力放在學習上,而是在跳舞、滑冰和撞球上花費了大把的時間。歐姆的父親對於歐姆如此浪費受教育的機會,而感到非常憤怒,於是把歐姆送到了瑞士。1806年9月,歐姆在GottstadtbeiNydau的一所學校取得了數學教師的職務。

教學生涯

卡爾·克利斯坦·凡·蘭格斯多弗在1809年離開埃爾朗根大學前往海德堡大學任教,歐姆提出希望跟他一起前往海德堡重新開始他的數學學習,但是蘭格斯多弗建議歐姆繼續自學數學,並建議他閱讀歐拉、拉普拉斯和拉克洛瓦的著作。歐姆接受了蘭格斯多弗的建議,一邊任教一邊繼續自學數學。22歲時,歐姆回到埃爾朗根,並在1811年以論文《LichtundFarben》(光線和色彩)獲得博士學位,此後在埃爾朗根做了3個學期的數學講師。此後分別於1813年在班貝格、1817年在科隆、1826年在柏林的幾家中學任教。

歐姆的主要研究興趣在於當時仍沒有被普遍研究的電學,1833年成為紐倫堡皇家綜合技術學校的教授,1839年起擔任該校的校長,1849年起任教於慕尼黑大學,1852年成為實驗物理學教授

逆境中的歐姆

歐姆愛好物理和數學,歐姆自幼受到父親的教導,在科學和技術方面得到了不少的啟迪。在大學期間,因生活困難,不得不退學去做家庭教師。但他仍然堅持學習,終於完成了學業,獲得了博士學位。他曾在幾處中學任教,並在繁重的工作之餘,堅持進行科學研究。

歐姆正處在電學飛速發展的時期,新的電學成果不斷地湧現,其他科學家的發現激勵著他去進一步探索一個重要的問題:使用伏打電池的電路中,電流強度可能隨電池數目的增多而增大,但是,這中間到底存在什麼規律呢?他決心通過實驗尋找答案。

當時還沒有測量電流強弱的儀器,歐姆曾設想用電流的熱效應去測量電流的強弱,但沒有成功。

1821年施魏格爾和波根多夫發明了一種原始的電流計,這個儀器的發明使歐姆受到鼓舞。他利用業餘時間,向工

人學習多種加工技能,決心製作必要的電學儀器與設備。為了準確地量度電流,他巧妙地利用電流的磁效應設計了一個電流扭秤。用一根扭絲掛一個磁針,讓通電的導線與這個磁針平行放置,當導線中有電流通過時,磁針就偏轉一定的角度,由此可以判斷導線中電流的強弱了。他把自己製作的電流計連在電路中,並創造性地在放磁針的度盤上劃上刻度,以便記錄實驗的數據。這樣,1825年從根據實驗結果得出了一個公式,可惜是錯的,用這個公式計算的結果與歐姆本人後來的實驗也不一致。歐姆很後悔,意識到問題的嚴重性,打算收回已發出的論文,可是已經晚了,論文已發散出去了。急於求成的輕率做法,使他吃了苦頭,科學家對他也表示反感,認為他是假充內行。

歐姆決心要挽回影響和損失,更重要的是還要繼續通過實驗找規律。這時歐姆多麼需要人們的理解和支持啊!當時有位科學家叫波根多夫,從歐姆這位中學教師身上看到了追求真理勇於創新的才華,寫信鼓勵歐姆繼續幹下去。並建議他在實驗中,使用更加穩定的塞貝克溫差電池。這種電池是1821年由塞貝克發明的,它的原理是:用鋼、鉍兩種不同的導線連接而組成的電路中,兩個接頭的溫度不同時可以產生電流,溫差越大,電流越強。歐姆鼓起勇氣,用了溫差電池重新認真地做實現,他把一個接頭浸入沸水中,溫度保持100℃,另一接頭埋入冰塊,溫度保持0℃,從而保證一個能供應穩定電壓的電源。多次實驗之後,終於在1827年提出了一個關係式:X=a/(b+x)式中X表示電流強度,a表示電動勢(高中物理中學到),b+x表示電阻,b是電源內部的電阻,x為外部電路的電阻。這就是歐姆定律,這在電學史上是具有里程碑意義的貢獻。

但是,科學界仍不承認歐姆的科學發現,許多人對他還抱有成見,甚至認為定律太簡單,不足為信。這一切使歐姆也感到萬分痛苦和失望。

但是,真理之光終究會放射出來的。說來也湊巧,1831年有位叫波利特的科學家發表了一篇論文,得到的是與歐姆同樣的結果。這才引起科學界對歐姆的重新注意。

1841年,英國皇家學會授予他科普利金質獎章,並且宣稱歐姆定律是「在精密實驗領域中最突出的發現」。他得到了應有的榮譽。

1854年歐姆與世長辭。十年之後英國科學促進會為了紀念他,決定用歐姆的名字作為電阻單位的名稱。使人們每當使用這個術語時,總會想起這位勤奮頑強、卓有才能的中學教師。

3 喬治·西蒙·歐姆 -科學研究

喬治·西蒙·歐姆歐姆

從1820年起,他開始研究電磁學。歐姆的研究工作是在十分困難的條件下進行的。他不僅要忙於教學工作,而且圖書資料和儀器都很缺乏,他只能利用業餘時間,自己動手設計和製造儀器來進行有關的實驗。1826年,歐姆發現了電學上的一個重要定律——歐姆定律,這是他最大的貢獻。這個定律在我們今天看來很簡單,然而它的發現過程卻並非如一般人想象的那麼簡單。歐姆為此付出了十分艱巨的勞動。在那個年代,人們對電流強度、電壓、電阻等概念都還不大清楚,特別是電阻的概念還沒有,當然也就根本談不上對它們進行精確測量了;況且歐姆本人在他的研究過程中,也幾乎沒有機會跟他那個時代的物理學家進行接觸,他的這一發現是獨立進行的。歐姆獨創地運用庫侖的方法製造了電流扭力秤,用來測量電流強度,引入和定義了電動勢、電流強度和電阻的精確概念。歐姆對導線中的電流進行了研究。他從傅立葉發現的熱傳導規律受到啟發,導熱桿中兩點間的熱流正比於這兩點間的溫度差。因而歐姆認為,電流現象與此相似,猜想導線中兩點之間的電流也許正比於它們之間的某種驅動力,即現在所稱的電動勢。歐姆花了很大的精力在這方面進行研究。開始他用伏打電堆作電源,但是因為電流不穩定,效果不好。後來他接受別人的建議改用溫差電池作電源,從而保證了電流的穩定性。但是如何測量電流的大小,這在當時還是一個沒有解決的難題。開始,歐姆利用電流的熱效應,用熱脹冷縮的方法來測量電流,但這種方法難以得到精確的結果。後來他把奧斯特關於電流磁效應的發現和庫侖扭秤結合起來,巧妙地設計了一個電流扭秤,用一根扭絲懸挂一磁針,讓通電導線和磁針都沿子午線方向平行放置;再用鉍和銅溫差電池,一端浸在沸水中,另一端浸在碎冰中,並用兩個水銀槽作電極,與銅線相連。當導線中通過電流時,磁針的偏轉角與導線中的電流成正比。他將實驗結果於1826年發表。1827年歐姆又在《電路的數學研究》一書中,把他的實驗規律總結成如下公式:S=γE。式中S表示電流;E表示電動力,即導線兩端的電勢差,γ為導線對電流的傳導率,其倒數即為電阻。

歐姆在自己的許多著作里還證明了:電阻與導體的長度成正比,與導體的橫截面積和傳導性成反比;在穩定電流的情況下,電荷不僅在導體的表面上,而且在導體的整個截面上運動。

歐姆定律及其公式的發現,給電學的計算,帶來了很大的方便。人們為紀念他,將電阻的單位定為歐姆,簡稱「歐」,符號為Ω。

4 喬治·西蒙·歐姆 -趣聞軼事

1、靈巧的手藝是從事科學實驗之本

歐姆的家境十分困難,但從小受到良好的重陶,父親是個技術熟練的鎖匠,還愛好數學和哲學。父親對他的技術啟蒙,使歐姆養成了動手的好習慣,他心靈手巧,做什麼都像樣。物理是一門實驗學科,如果只會動腦不會動手,那麼就好像是用一條腿走路,走不快也走不遠。歐姆要不是有這一手好手藝,木工、車工、鉗工樣樣都能來一手,那麼他是不可能獲得如此成就的。

在進行了電流隨電壓變化的實驗中,正是歐姆巧妙地利用電流的磁效應,自己動手製成了電流扭秤,用它來測量電流強度,才取得了較精確的結果。

2、烏雲和塵埃遮不住科學真理之光

1827年,歐姆發表《伽伐尼電路的數學論述》,從理論上論證了歐姆定律,歐姆滿以為研究成果一定會受到學術界的承認也會請他去教課。可是他想錯了。書的出版招來不少諷刺和詆毀,大學教授們看不起他這個中學教師。德國人鮑爾攻擊他說:「以虔誠的眼光看待世界的人不要去讀這本書,因為它純然是不可置信的欺騙,它的唯一目的是要褻瀆自然的尊嚴。」這一切使歐姆十分傷心,他在給朋友的信中寫道:「伽伐尼電路的誕生已經給我帶來了巨大的痛苦,我真抱怨它生不逢時,因為深居朝廷的人學識淺薄,他們不能理解它的母親的真實感情。」

當然也有不少人為歐姆抱不平,發表歐姆論文的《化學和物理雜誌》主編施韋格(即電流計發明者)寫信給歐姆說:「請您相信,在烏雲和塵埃後面的真理之光最終會透射出來,並含笑驅散它們。」歐姆辭去了在科隆的職務,又去當了幾年私人教師,直到七、八年之後,隨著研究電路工作的進展,人們逐漸認識到歐姆定律的重要性,歐姆本人的聲譽也大大提高。1841年英國皇家學會授予他科普利獎章,1842年被聘為國外會員,1845年被接納為巴伐利亞科學院院士。為紀念他,電阻的單位「歐姆」,以他的姓氏命名。

5 喬治·西蒙·歐姆 -貢獻

電阻單位

簡稱「歐」,符號為Ω

Ωμέγα(大寫Ω,小寫ω),又稱為大O,是第二十四個希臘字母,亦是最後一個希臘字母。
歐姆——以國際歐姆作為電阻單位,它以等於109CGSM電阻的歐姆作為基礎,用恆定電流在融冰溫度時通過質量為14.4521克、長度為106.3厘米、橫截面恆定的水銀柱受到的電阻。

歐姆定律

歐姆第一階段的實驗是探討電流產生的電磁力的衰減與導線長度的關係,其結果於1825年5月在他的第一篇科學論文中發表。在這個實驗中,他碰到了測量電流強度的困難。在德國科學家施威格發明的檢流計啟發下,他把斯特關於電流磁效應的發現和庫化扭秤方法巧妙地結合起來,設計了一個電流扭力秤,用它測量電流強度。歐姆從初步的實驗中發出,電流的電磁力與導體的長度有關。其關係式與今天的歐姆定律表示式之間看不出有什麼直接聯繫。歐姆在當時也沒有把電勢差(或電動勢)、電流強度和電阻三個量聯繫起來。

在歐姆之前,雖然還沒有電阻的概念,但是已經有人對金屬的電導率(傳導率)進行研究。1825年7月,歐姆也用上述初步實驗中所用的裝置,研究了金屬的相對電導率。他把各種金屬製成直徑相同的導線進行測量,確定了金、銀、鋅、黃銅、鐵等金屬的相對電導率。雖然這個實驗較為粗糙,而且有不少錯誤,但歐姆想到,在整條導線中電流不變的事實表明電流強度可以作為電路的一個重要基本量,他決定在下一次實驗中把它當作一個主要觀測量來研究。

在以前的實驗中,歐姆使用的電池組是伏打電堆,這種電堆的電動勢不穩定,使他大為頭痛。後來經人建議,改用鉍銅溫差電偶作電源,從而保證了電源電動勢的穩定。
1826年,歐姆用上面圖中的實驗裝置導出了他的定律。在木質座架上裝有電流扭力秤,DD'是扭力秤的玻璃罩,CC'是刻度盤,s是觀察用的放大鏡,m和m'為水銀杯,abb'a'為鉍框架,鉍、銅框架的一條腿相互接觸,這樣就組成了溫差電偶。A、B是兩個用來產生溫差的錫容器。實驗時把待研究的導體插在m和m'兩個盛水銀的杯子中,m和m'成了溫差電池的兩個極。

歐姆準備了截面相同但長度不同的導體,依次將各個導體接入電路進行實驗,觀測扭力拖拉磁針偏轉角的大小,然後改變條件反覆操作,根據實驗數據歸納成下關係:
x=q/(b+l)式中x表示流過導線的電流的大小,它與電流強度成正比,A和B為電路的兩個參數,L表示實驗導線的長度。

1826年4月歐姆發表論文,把歐姆定律改寫為:x=ksa/ls為導線的橫截面積,K表示電導率,A為導線兩端的電勢差,L為導線的長度,X表示通過L的電流強度。如果用電阻l'=l/ks代入上式,就得到X=a/I'這就是歐姆定律的定量表達式,即電路中的電流強度和電勢差成正而與電阻成反比。為了紀念歐姆對電磁學的貢獻,物理學界將電阻的單位命名為歐姆,以符號Ω表示。1歐姆定義為電位差為1伏特時恰好通過以安培電流的電阻。

歐姆接觸

歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸,而其接觸面的電阻值遠小於半導體本身的電阻,使得組件操作時,大部分的電壓降在於活動區(Activeregion)而不在接觸面。

欲形成好的歐姆接觸,有二個先決條件:

(1)金屬與半導體間有低的界面能障(BarrierHeight)

(2)半導體有高濃度的雜質摻入(N≧10EXP12cm-3)

前者可使界面電流中熱激發部分增加;後者則使界面空乏區變窄,電子有更多的機會直接穿透(Tunneling),而同使Rc阻值降低。

若半導體不是硅晶,而是其它能量間隙(EnergyCap)較大的半導體(如GaAs),則較難形成歐姆接觸(無適當的金屬可用),必須於半導體表面摻雜高濃度雜質,形成Metal-n+-norMetal-p+-p等結構。

歐姆殺菌

歐姆殺菌是藉助通入電流使食品內部產生熱量達到殺菌目的的一種殺菌方法。

原理:所用電流為50-60Hz的低頻交流電。根據Joule定律,在被加熱食品內部的任一點,通入電流所產生的熱量為   Q=K(gradV.*gradVo)=K(ΔV)exp2

Q——某點處的單位加熱功率,(W/m2)

K——某點處的電導率(S/m)。

S——電導單位西門子,它等於電阻歐姆的倒數

gradV——為任一點處的電位梯度,V/m

影響歐姆殺菌的因素

(一)電導率與溫度

(二)電場強度E、頻率f

(三)流體在加熱器中所處的位置與受熱程度的關係

(四)操作因子與歐姆加熱速率的關係

歐姆殺菌工藝操作(無菌工藝)

1.裝置的預殺菌

用電導率與待殺菌物料相接近的一定濃度的硫酸鈉溶液的循環來實現。通過電流加熱使之達到一定溫度,通過壓力調節閥控制殺菌壓力,對歐姆加熱組件、保溫管和冷卻管進行殺菌。其它設備用傳統的蒸汽殺菌法。用電導率與產品相近的硫酸鈉的作為預殺菌溶液的目的是避免設備從預殺菌到產品殺菌期間電能的大幅度調整,以保持平穩而有效地過度,且溫度波動小。

2.預殺菌液冷卻後排出,引入待殺菌物料。通過反壓閥利用無菌空氣和氣氮氣調節壓力。

3.物料加熱殺菌,再依次進入保溫管、冷卻管和貯罐,供無菌充填。

4.生產結束后,切斷電源,先用清水清洗,再用80℃的2%的氫氧化溶液循環清洗30min。

歐姆表

歐姆表是測量電阻的儀錶,G是內阻為Rg,滿刻度電流為Ig的電流表,R是可變電阻,也叫調零電阻;電池為一節乾電池,電動勢為E,內阻是r,紅表筆(插入「+」插孔)與電池負極相連;黑表筆(插入「-」插孔)與電池正極相連。當被測電阻Rx。

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