Vývoj názorů na podstatu elektřiny (42)

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (42)

Ing. Josef Heřman, CSc.

8.4 Georg Simon Ohm

Pozdě naplněná tužba
Georg Simon byl nejstarší syn zámečnického mistra v Erlangenu. Jeho usilovně se sebevzdělávající otec mu poskytl solidní základy matematiky a fyziky. V tomto směru ho naučil pravděpodobně i více, než mu potom dalo studium na gymnáziu i erlangenské univerzitě. Pouhé tři semestry na této univerzitě přesvědčily otce o tom, že zdejší studium je pro jeho syna málo přínosné, a přinutil mladého Ohma z univerzity odejít a věnovat se učitelskému povolání. Georg Ohm pak několik let působil v nepříliš podnětných podmínkách jako učitel matematiky. V této činnosti pokračoval i po získání doktorského titulu roku 1811 na univerzitě v Erlangenu.

Teprve získání postu staršího učitele matematiky a fyziky na reformovaném jezuitském gymnáziu v Kolíně nad Rýnem v roce 1817 a dobře vybavená školní laboratoř ho stimulovaly k vědecké práci ve fyzice. Usilovně studoval francouzské klasiky tohoto oboru – předně Lagrangea, Legendrea, Laplacea, Biota a Poissona, později Fouriera a Fresnela. Po Oerstedově objevu elektromagnetismu roku 1820 začal experimentovat s elektřinou a magnetismem. Avšak teprve roku 1825 ve svém výzkumu dospěl k určitým závěrům, které mohl publikovat. Následující dva roky byly nejplodnějším Ohmovým vědeckým obdobím – obdobím, kdy formuloval svůj proslulý zákon.

Přestože jeho kvalifikace byla uznávána, nedařilo se mu i nadále zastávat místo univerzitního profesora matematiky a fyziky. Po několikaletém působení na vojenské škole v Berlíně se vrátil do Bavorska a přijal místo profesora na Polytechnickém institutu v Norimberku. Jeho celoživotní přání se mu splnilo až dva roky před smrtí, kdy byl jmenován vedoucím katedry fyziky na univerzitě v Mnichově.

První série experimentů
V roce 1825 již byla všeobecně známa skutečnost, že je-li v elektrickém obvodu nahrazen vodič jiným vodičem horší vodivosti, projeví se to v menší výchylce magnetické střelky. Ohm se proto rozhodl měřit rozdíly v magnetických silách různých vzorků vodičů stejného průřezu a zhotovených ze stejného materiálu, avšak rozdílné délky. Jako standard použil vzorek s nejmenším odporem, tedy vzorek nejkratší. Jeho hodnotu stanovil jako referenční. Postupoval tak, že měřil ztrátu „síly„ proudu (Kraftverlust) každého vzorku vodiče a porovnával ji s referenční hodnotou standardu. K měření používal vlastnoručně zhotovené citlivé torzní váhy Coulombova typu (viz ELEKTRO 4/2002).

Měření každého testovaného vzorku opakoval několikrát a výsledky interpoloval k referenční hodnotě „síly„ standardu. Při těchto experimentech čelil dvěma hlavním obtížím:

1. zdroj, který použil – galvanický článek –, produkoval, jak bylo v té době u nich běžné, trvale se snižující napětí,

2. následkem častých změn stavu vnějšího testovaného obvodu (uzavřený či otevřený) byly proudové rázy v obvodu; to způsobovalo problémy při odečítání hodnot z torzních vah.

První problém Ohm zčásti eliminoval tím, že uvažoval průměr ze dvou hodnot velikosti odporu standardu získaných před měřením a po měření testovaného vzorku. Druhou obtíž překonal odečtením údaje při pomalé změně, po odeznění proudového rázu. Tímto postupem a tabulkovým zpracováním hodnot vztažených k délkám drátů Ohm zjistil, že experimentálně získaným údajům ztráty „síly„ velmi dobře vyhovuje empirický vztah

kde x je délka vzorku vodiče, m a a konstanty.

Výsledky Ohm uvedl ve svém prvním vědeckém spise Předběžná oznámení návrhu zákona, podle kterého vedou kovy kontaktní elektřinu (Vorlaufige Anzeige des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contaktelektricitat leiten). Uveřejnil jej v květnu 1825 v Journal für Chemie und Physik.

Druhá série experimentů
V druhé sérii pokusů se Ohm zaměřil na porovnávání vodivosti různých kovů. Za stejných podmínek jako v první sérii testoval vzorky vodičů stejného průměru, ale z rozdílných kovů. V tomto případě si za úkol zvolil měnit délku jednotlivých vzorků, až bylo dosaženo stejné ztráty „síly„ proudu, a tedy ekvivalence mezi vzorky. Při těchto experimentech se mu podařilo zcela vyloučit problém s proudovými rázy. Udělal to tak, že vždy vložil další vzorek před tím, než odstranil předcházející. Tak byly oba dočasně zapojeny paralelně a obvod vždy zůstával uzavřený.

Své experimenty Ohm popsal opět v časopise Journal für Chemie und Physik. V roce 1825 zde byly zveřejněny ještě dvě kratší noticky: O vodivosti kovů pro elektřinu (Ueber Leitungsfähigkeit der Metale für Electricität) a O vodičích elektřiny (Ueber Electricitätsleiter).

Třetí série experimentů
Zásadní změnou, kterou Ohm ve třetí sérii experimentů na Poggendorffovu radu učinil, byla náhrada galvanického článku termoelektrickým článkem, tvořeným dvojkovem bismut-měď (bimetal). Ohm tak patří mezi první badatele, kteří termoelektrický článek v praxi realizovali a využili. Odstranil tak jeden z problémů, které provázely jeho experimenty v první sérii.

K vytvoření konstantního teplotního rozdílu vnořil Ohm jeden konec dvojkovu do vařící vody a druhý do tajícího ledu. Jak bylo Ohmovi vlastní, připravil své experimenty velmi pečlivě a dokonale. Testoval osm vzorků měděného vodiče stejného průřezu a různé délky. Popis pokusů a závěry z nich vyplývající uvedl Ohm v článku Stanovení zákona, podle kterého vedou kovy kontaktní elektřinu (Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contact-Electricität leiten). Ten se roku 1826 objevil opět v Journal für Chemie und Physik.

V druhém příspěvku „opravil„ závěry z prvního článku a uvedl vztah zákona již ve zřejmější podobě:

kde X je síla magnetického působení použitého vodiče o délce x, a, b konstanty, které ovlivňují velikost této síly a odpor zbytku obvodu.

V současné terminologii je „síla magnetického působení„ elektrický proud, konstanta a je přiložené napětí, b je vnitřní odpor zdroje. Zrodil se Ohmův zákon.

(pokračování)