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物理学 1827

数学论述的电路

乔治·西蒙·欧姆

推动力除以阻力,便是电流——这一个比值,让电路第一次可以被计算。

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In depth · the introduction

推得越用力,流过的电就越多;让路越难走,流过的电就越少。欧姆把这件事,钉成了一个精确的比值。

核心想法

导线里的电,很像管道里的水。有一股推动它的力——这是电压。有流动本身——这是电流。还有导线对流动的阻挠程度——这是电阻。欧姆指出,这三者锁在一条利落的规则里:电流,等于电压除以电阻。

这一句话,用处大得惊人。把推力加倍,电流就加倍。把电阻加倍,电流就减半。三者之中知道任意两个,就能算出第三个——于是第一次,你能在合上开关之前,就精确预言一条电路会通过多大的电流。

它是如何诞生的

1820 年代,乔治·欧姆是科隆的一名学校教师,家里有一间简朴的实验室。他读了傅里叶那刚问世的理论——热如何流过一根金属棒——并猜想电也以同一种规则流动。要验证它,他需要一个稳定的电源(当时的电池会漂移),于是他用了热电偶:两种相接的金属,维持固定的温差,再测量当他换上越来越长的导线时,电流如何下降。

数据规则得漂亮,1827 年他把背后的理论发表了出来。然后,几乎什么也没发生。德国物理学界对这项工作视而不见、或加以讥讽;失望的欧姆放弃了教职,苦苦等待。承认最终来自英国——1841 年皇家学会的科普利奖章——而许久之后,他的名字,被赋予了电阻这个单位本身。

它为何重要

在欧姆之前,电是一种定性的奇观——火花、电击、抽动的蛙腿。在欧姆之后,电成了可以计算、因而可以设计的东西。他的比值,是电气工程的种子:你拥有的每一条电路,从那个不会烧坏你手机的充电器,到水壶里的发热丝,都建立在 V = I R 之上。

一个可以想象的画面

想象软管里的水。把水龙头拧大,压力升高——这是电压。更多的水奔涌而出——这是电流。现在把软管折一下,或换上一根更长、更细的:同样的压力,能推过去的水却少得多。那份额外的费劲,就是电阻。欧姆定律,不过是这场权衡的精确账本:流量,等于压力除以费劲。

一个可交互的电路回路,含电池、电阻和灯;两个滑块设定电压与电阻。电流上升时整条回路变粗,灯也随功率变得更亮。

它的位置

伏打的电池(1800)刚刚给了世界一股稳定的电流,而奥斯特、安培与法拉第,正忙着勾画它所产生的磁。欧姆,补上了这一切底下的算术。他的定律,嵌在法拉第发现电磁感应(见 faraday-1831)与麦克斯韦对电与磁的宏大统一(见 maxwell-1865)之间——那是电气时代赖以筑起的、安静而定量的骨架。

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