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物理學 1827

數學論述的電路

喬治·西蒙·歐姆

推動力除以阻力,便是電流——這一個比值,讓電路第一次可以被計算。

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In depth · the introduction

推得越用力,流過的電就越多;讓路越難走,流過的電就越少。歐姆把這件事,釘成了一個精確的比值。

核心想法

導線裡的電,很像管道裡的水。有一股推動它的力——這是電壓。有流動本身——這是電流。還有導線對流動的阻撓程度——這是電阻。歐姆指出,這三者鎖在一條俐落的規則裡:電流,等於電壓除以電阻。

這一句話,用處大得驚人。把推力加倍,電流就加倍。把電阻加倍,電流就減半。三者之中知道任意兩個,就能算出第三個——於是第一次,你能在合上開關之前,就精確預言一條電路會通過多大的電流。

它是如何誕生的

1820 年代,喬治·歐姆是科隆的一名學校教師,家裡有一間簡樸的實驗室。他讀了傅立葉那剛問世的理論——熱如何流過一根金屬棒——並猜想電也以同一種規則流動。要驗證它,他需要一個穩定的電源(當時的電池會漂移),於是他用了熱電偶:兩種相接的金屬,維持固定的溫差,再測量當他換上越來越長的導線時,電流如何下降。

數據規則得漂亮,1827 年他把背後的理論發表了出來。然後,幾乎什麼也沒發生。德國物理學界對這項工作視而不見、或加以譏諷;失望的歐姆放棄了教職,苦苦等待。承認最終來自英國——1841 年皇家學會的科普利獎章——而許久之後,他的名字,被賦予了電阻這個單位本身。

它為何重要

在歐姆之前,電是一種定性的奇觀——火花、電擊、抽動的蛙腿。在歐姆之後,電成了可以計算、因而可以設計的東西。他的比值,是電氣工程的種子:你擁有的每一條電路,從那個不會燒壞你手機的充電器,到水壺裡的發熱絲,都建立在 V = I R 之上。

一個可以想像的畫面

想像軟管裡的水。把水龍頭擰大,壓力升高——這是電壓。更多的水奔湧而出——這是電流。現在把軟管折一下,或換上一根更長、更細的:同樣的壓力,能推過去的水卻少得多。那份額外的費勁,就是電阻。歐姆定律,不過是這場權衡的精確帳本:流量,等於壓力除以費勁。

一個可互動的電路迴路,含電池、電阻和燈;兩個滑桿設定電壓與電阻。電流上升時整條迴路變粗,燈也隨功率變得更亮。

它的位置

伏打的電池(1800)剛剛給了世界一股穩定的電流,而厄斯特、安培與法拉第,正忙著勾畫它所產生的磁。歐姆,補上了這一切底下的算術。他的定律,嵌在法拉第發現電磁感應(見 faraday-1831)與馬克士威對電與磁的宏大統一(見 maxwell-1865)之間——那是電氣時代賴以築起的、安靜而定量的骨架。

The original document
Original source text
G. S. Ohm · Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet · Berlin, 1827 (English: Scientific Memoirs, vol. 2, 1841)
Preface
I herewith present to the public a theory of galvanic electricity, as a special part of electrical science in general.
Ohm announces his aim: to deduce the behaviour of the galvanic circuit not from accumulated observation alone but theoretically, from a few principles secured by experiment — and to do so by the same mathematics Fourier had just used for the flow of heat in a conducting bar.
The three quantities
The theory rests on three measurable things defined at every cross-section of the circuit: the electroscopic force — the tension, what we now call electric potential; the magnitude of the current; and the resistance of the conductor, which Ohm represents as a "reduced length" growing with length and falling with cross-section and conductivity.
The law
From these he derives that in an unbranched circuit the current is the same at every cross-section and equals the total driving force divided by the total resistance. His own measurements — a thermoelectric source and test wires of varying length — had already given the empirical form X = a / (b + x), with b the fixed resistance of the apparatus and x the wire; the theory explained why. In modern symbols this is V = I R.
[ … ]
The complete memoir — the heat-flow analogy, the differential equations for the current, and the experimental tables that confirm them — is available in full at the source below.
Berlin · 1827