Создание уникального электроизмерительного прибора

Трудно представить, сколько бессонных ночей провел молодой ученый, чтобы реконструировать «весы» Кулона. Ему удалось найти настолько оригинальное техниче-ское решение, что позднее физики справедливо назвали установку Ома «первым прибором для электрических измерений». Главное усовершенствование заключалось в том, что вместо коромысла с бузиновым шариком Ом подвешивал на металлической нити магнитную стрелку над проводником, по которому протекал электрический ток и по углу отклонения этой стрелки определял относительную величину тока. Кроме того, он убедился в нестабильности источника тока – гальванического элемента, «возбуждающая сила» которого изменялась при его включении и выключении. Точность измерений также снижалась из-за того, что внутреннее сопротивление батарей было значительно больше сопротивления исследуемых проводников.

Усовершенствованный Омом измерительный прибор представлял собой стеклянный цилиндр (см. рисунок), имевший по окружности «градусную» (измерительную) шкалу. Через центральное отверстие пропускалась серебряная нить, прикрепленная сверху к микрометрической головке q, которую можно поворачивать в ходе эксперимента. Внизу к нити прикреплялась магнитная стрелка tt. При прохождении тока по проводнику под стрелкой нить закручивалась, и стрелка отклонялась на определенный угол. Вращая верхнюю измерительную головку, Ом возвращал магнитную стрелку в исходное положение и точно фиксировал угол ее отклонения. Во избежание ошибки он установил небольшую линзу l, чтобы лучше видеть «визирную линию».

В начальных экспериментах, когда источником тока служила гальваническая батарея, о недостатках которой уже было сказано, результаты измерений оказались неточными. Первая статья Ома по исследованию проводимости различных металлов и зависимости угла отклонения магнитной стрелки от площади поперечного сечения проводника была опубликована в «Журнале физики и химии» в 1825 г. под названием «Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят контактное электричество».

И хотя Ом установил важный факт, что проволоки одного и того же материала, различающиеся площадью поперечного сечения, имеют «…одинаковую проводимость, если их длины пропорциональны их поперечным сечениям», предложенная им формула оказалась неверной. Кстати, Ом сам понимал неточность своих экспериментов, не случайно назвав свою статью «предварительным сообщением». Нужно признать, что допущенные Омом ошибки позднее стали одной из причин недоверия к его последующим публикациям. Но Ом не был бы Омом, если бы «опустил руки» от первых неудач, наоборот, он решил продолжить свои исследования.

Мы сознательно подробно описываем творческие поиски Ома, чтобы подчеркнуть, особенно для начинающих исследователей новых явлений, во-первых, насколько нелегок путь к познанию истины, во-вторых, необходимость умения анализировать причины неудач и изыскивать способы преодоления неизбежных трудностей в процессе исследований.

В первую очередь Ом решил избавиться от главной причины ошибок – гальванической батареи, «возбуждающая сила» которой заметно убывает со временем. Он заменил батарею термоэлементом, воспользовавшись открытием профессора Берлинского университета Т. И. Зеебеком в 1821 г. явления «термоЭДС» – возникновения электрического тока в замкнутой цепи при охлаждении или нагревании спая двух разнородных металлов, например, медной и висмутовой пластин. Этот элемент отличался заметно большей стабильностью, а его внутреннее сопротивление было значительно меньше, чем в гальванической батарее.

Термоэлемент состоял из пары металлов медь – висмут. Висмутовая полоса термоэлемента abb’a’ изгибалась в виде вытянутой буквы «П», а к ее концам привинчивалась медная полоса1. Две медные шины k своими концами dd’ опускались в чашечки с ртутью mm’, к которым подводились защищенные концы исследуемых проводников.

Результаты многочисленных измерений Ом изложил в статье «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера», опубликованной в уже упоминавшемся «Журнале физики и химии» в 1826 г.

Многократно повторяя эксперименты с проводниками различной длины и толщины, Ом составил подробные таблицы и установил ранее неизвестный закон о пропорциональности силы тока и «возбуждающей силой» (напряжения). Кроме того, он доказал, что по этому закону «…можно рассчитывать электрические цепи независимо от материала проводника».

Но особенно важное наблюдение Ома заключалось в следующем: изменяя длину замыкающей цепи проволоки, он доказал, что, выражаясь современной терминологией, сила тока в цепи с постоянным источником ЭДС обратно пропорциональна сопротивлению цепи. Так звучит уже знакомая нам формула закона Ома, впервые опубликованная им в 1827 г.

Экспериментам Ома, казалось, не будет конца, это подтверждает его неустанное стремление проникнуть в глубину физических процессов в электрических цепях. Он исследует силу тока по его магнитному действию (отклонению магнитной стрелки) и по его химическому действию (в частности, по объему газов при электролизе воды) и доказывает их эквивалентность.

Другое по технологическим наукам

Сплошная химия
Один из лидеров современной химической индустрии — американский концерн DuPont — начинался как семейное «пороховое» дело, но за два столетия трансформировался в крупнейший инкубатор открытий в сфере бытовой химии ...