Перші дослідження опору провідників

Що таке провідник? Це суто пасивна складова електричного ланцюга, відповідали перші дослідники. Займатися його дослідженням — значить просто ламати собі голову над непотрібними загадками, бо тільки джерело струму є активним елементом.

Такий погляд на речі пояснює нам, чому вчені, принаймні до 1840 р., майже не виявляли інтересу до тих небагатьох робіт, які проводились у цьому напрямі. Так, на другому з'їзді італійських учених, що відбувся в Турині в 1840 р. (перший збирався в Пізі в 1839 р. і набув навіть якогось політичного значення), виступаючи в дебатах за доповіддю, представленою Маріаніні, Де ла Рів стверджував, що провідність більшості рідин не є абсолютною, а швидше відносною і змінюється зі зміною сили струму. Адже закон Ома було опубліковано за 15 років до цього!

Серед тих небагатьох учених, які першими почали займатися питанням провідності провідників після винаходу гальванометра, був Стефано Маріаніні (1790—1866). До відкриття він прийшов випадково, вивчаючи напругу батарей. Він зауважив, що зі збільшенням числа елементів вольтового стовпа електромагнітний вплив на стрілку не збільшується помітним чином. Це змусило Маріаніні відразу ж подумати, що кожен вольтовий елемент є перешкодою для проходження струму. Він робив досліди з парами «активними» і «неактивними» (тобто що складаються з двох мідних пластинок, розділених вологою прокладкою) і досвідченим шляхом знайшов відношення, в якому сучасний читач дізнається окремий випадок закону Ома, коли опір зовнішнього ланцюга не приймається у увага, як це й було у досвіді Маріаніні.

Георг Симон Ом (1789-1854) визнавав заслуги Маріаніні, хоча його праці і не надали Ому безпосередньої допомоги в роботі. Ом надихався у своїх дослідженнях роботою "La theorie analytique de la ehaleur" ("Аналітична теорія тепла", Париж, 1822 р.) Жана Батіста Фур'є (1768-1830) - однієї з найзначніших наукових праць усіх часів, що дуже швидко здобула популярність і високу оцінку серед математиків та фізиків того часу. Йому спала на думку, що механізм «теплового потоку», про який говорить Фур'є, можна уподібнити електричному струму в провіднику. І подібно до того як у теорії Фур'є тепловий потік між двома тілами або між двома точками одного і того ж тіла пояснюється різницею температур, так само Ом пояснює різницею «електроскопічних сил» у двох точках провідника виникнення електричного струму між ними.

Дотримуючись такої аналогії, Ом розпочав свої експериментальні дослідження з визначення відносних величин провідності різних провідників. Застосувавши метод, який став класичним, він підключав послідовно між двома точками ланцюга тонкі провідники з різних матеріалів однакового діаметра і змінював їх довжину так, щоб виходила певна величина струму. Перші результати, які йому вдалося отримати, сьогодні видаються досить скромними.

Історики уражаються, наприклад, тим, що за вимірюваннями Ома срібло має меншу провідність, ніж мідь і золото, і поблажливо приймають дане згодом самим Омом пояснення, згідно з яким досвід проводився зі срібним дротом, покритим шаром олії, і це вводило в оману щодо точного значення діаметра.

На той час було безліч джерел помилок при проведенні дослідів (недостатня чистота металів, складність калібрування дроту, складність точних вимірювань тощо). Найважливішим джерелом помилок була поляризація батарей. Постійні (хімічні) елементи тоді ще були відомі, отже за час, необхідне вимірювань, електрорушійна сила елемента істотно змінювалася. Саме ці причини, що викликали помилки, призвели до того, що Ом на підставі своїх дослідів дійшов логарифмічного закону залежності сили струму від опору провідника, включеного між двома точками ланцюга.

Після опублікування першої статті Ома Поггендорф порадив йому відмовитися від хімічних елементів і скористатися краще термопарою мідь — вісмут, незадовго до цього введений Зеєбеком. Ом прислухався до цієї поради і повторив свої досліди, зібравши установку з термоелектричною батареєю, до зовнішнього ланцюга якої включалися послідовно вісім мідних дротів однакового діаметра, але різної довжини. Силу струму він вимірював за допомогою свого роду крутильних терезів, утворених магнітною стрілкою, підвішеною на металевій нитці. Коли струм, паралельний стрілці, відхиляв її, Ом закручував нитку, на якій вона була підвішена, доки стрілка не опинялася у своєму звичайному положенні; сила струму вважалася пропорційною до кута, на який закручувалась нитка.

Ом дійшов висновку, що результати дослідів, проведених з вісьма різними дротиками, «можуть бути дуже добре виражені рівнянням

Х = a / (b + х),

де X означає інтенсивність магнітної дії провідника, довжина якого дорівнює х, а і b — константи, що залежать відповідно від збудливої сили та від опору інших частин ланцюга». однаково зводилися до наведеної вище формули, яка дуже просто переходить у відому нам, якщо замінити X силою струму, а електродвигуною силою і (b + х) — загальним опором ланцюга.

Отримавши цю формулу, Ом користується нею для вивчення дії мультиплікатора Швейггера на відхилення стрілки і для вивчення струму, що проходить у зовнішньому ланцюзі батареї елементів, залежно від того, як вони з'єднані послідовно або паралельно. Таким чином він пояснює (як це робиться тепер у підручниках), чим визначається зовнішній струм батареї,— питання, яке було досить темним для перших дослідників.

Ом сподівався, що його експериментальні роботи відкриють йому шлях до університету , чого він так хотів. Проте статті пройшли непоміченими. Тоді він залишив місце викладача в кельнській гімназії і вирушив до Берліна, щоб теоретично осмислити отримані результати. У 1827 р. у Берліні він опублікував свою головну працю «Die galvanische Kette, mathe-matisch bearbeitet» («Гальванічний ланцюг, розроблений математично»).

Ця теорія, при розробці якої він надихався, як ми вже вказували, аналітичною теорією теплоти Фур'є, запроваджує поняття та точні визначення електрорушійної сили, або «електроскопічної сили», як її називає Ом, електропровідності (Starke der Leitung) та сили струму. Виразивши виведений ним закон у диференціальній формі, що наводиться сучасними авторами, Ом записує його і в кінцевих величинах для окремих випадків конкретних електричних ланцюгів, з яких особливо важлива термоелектричний ланцюг. Виходячи з цього він формулює відомі закони зміни електричної напруги вздовж ланцюга.

Але теоретичні дослідження Ома також залишилися непоміченими, а якщо хтось і писав про них, то лише для того, щоб висміяти «болючу фантазію, єдиною метою якої є прагнення принизити гідність природи». І лише через десять років його геніальні роботи поступово почали користуватися належним визнанням: у Німеччині їх оцінили Поггендорф і Фехнер, у Росії — Ленц, в Англії — Вітстон, в Америці — Генрі, в Італії — Маттеуччі.

Одночасно з дослідами Ома у Франції проводив свої досліди А. Беккерель, а в Англії — Барлоу. Досліди першого особливо чудові запровадженням диференціального гальванометра з подвійною обмоткою рамки та застосуванням «нульового» методу вимірювання. Досліди Барлоу варто згадати тому, що вони експериментально підтвердили сталість сили струму у всьому ланцюгу. Цей висновок був перевірений і поширений на внутрішній струм батареї Фехнером в 1831, узагальнений в 1851 Рудольфом Кольраушем (1809-1858) на рідкі провідники, а потім ще раз підтверджений ретельними дослідами Густава Нідмана (1826-1899).