出現(xiàn)超導現(xiàn)象即R為0時歐姆定律還適用嗎
歐姆定律其實是歐姆針對不同材料導電特性的一個總結(jié):材料的導電能力可以用電阻來衡量,即電子在導體中運動是會受到一D的阻礙的,這就是電阻。電子受到阻礙的結(jié)果,就是在導體中會造成電勢差(電壓降),因為電勢就與電荷能量成正比,因此可以說,電阻存在就說明電荷的能量發(fā)生了損失。
因此,歐姆定律,本質(zhì)上就是關于電阻的定義。R=U/I,某個特定材料的電阻,等于電流通過之后產(chǎn)生的電壓降除以電流本身的大小,也就是單位電流對應的電壓降。歐姆得出這個電阻的概念,就是因為測量了不同電流下的電壓,才發(fā)現(xiàn)對于特定的材料,電流和電壓之間存在簡單的線性正比關系。
從這個意義上來說,超導體電阻為零,意味著電荷在其中運動過程能量不發(fā)生損失,對應的電壓降為零,而無論電流大小。那么,超導體的存在,完全是不違反歐姆定律的!除非你非要把電阻移到分母上。
確切來說,歐姆定律并不是我們中學學到的這個簡單正比關系。歐姆定律是一個張量表達式:J=sigma*E,其中J是電流分布,E是電場分布,sigma是電導率。J和E是矢量,sigma則是三維張量。用這個公式,可以告知三維空間電流的分布。
###后,需要提一下,盡管超導體電阻為零,但并不意味著它承載的電流可以無限大。超導體存在一個臨界電流密度,一旦超過這個上限,超導體將失去超導特性,變成有電阻的正常導體。
假設,我們現(xiàn)在手頭有一些物質(zhì),我們不知道它的電特性,于是科學家給它加以一D的電壓,然后測量電流,發(fā)現(xiàn)電壓和電流呈正比,數(shù)量關系符合K = U/I。
于是,我們將這個常數(shù)K,稱為電阻R,并定義:
R = U/I;
我們將這個規(guī)律稱為歐姆定律。
這位科學家就是德國物理學家格奧爾格·歐姆,他于1827年在《直流電路的數(shù)學研究》(The galvanic Circuit investigated mathematically)里,詳細論述了電路端電壓與電流間的關系。當時他的總結(jié)比較復雜,現(xiàn)在我們看到的R = U/I是現(xiàn)代版本。
因此,歐姆定律的原理是這樣的:
凡是遵守歐姆定律的元件或電路,稱為“歐姆元件”或“歐姆電路”,其電阻與電流、電壓無關;
不遵守歐姆定律的元件或電路,則稱為“非歐姆元件”或“非歐姆電路”,其電阻可能與實時電壓、電流有關。
說到這兒,這個問題就非常顯然了:超導體R=0時歐姆定律還成立嗎?
答案是,歐姆定律總是成立的,這是一種對歐姆元件客觀規(guī)律的抽象和總結(jié)。
但,此時,超導體本身已不是歐姆元件,它不遵守歐姆定律,即,超導體不遵守端電壓和電流成正比的規(guī)律。
從這個例子可以看出,即使一個###簡單###基本的概念,如果我們不弄清楚它的底層原理,那么我們還是可能被它迷惑的。
歐姆定律適用于純電阻電路,以及一些等效的電阻電路中,對于氣體導電、半導體、電感電容電路和超導體均不適用。
歐姆定律是德國物理學家歐姆在1826年提出來的,描述為:在同一電路中,通過導體的電流與導體兩端電壓成正比,與電阻成反比。
超導現(xiàn)象是某些物質(zhì),在極低溫度下,電阻突然降低為零的現(xiàn)象,注意這里并不是說電阻很小,而是為零,電阻完全消失。
科學家做過實驗,在超導體內(nèi)通入電流,然后去掉電源,電流在超導體中流動一年后,也不見衰減。
如果我們用歐姆定律套用超導體R=0,就會得到電流無窮大,這當然是不可能的呢!
超導體的理論研究,目前需要用BCS理論來描述,但是目前BCS理論也有很多解釋不了的現(xiàn)象,總之,目前人類對超導現(xiàn)象的研究還不夠深。
超導體的潛力是非常巨大,但是目前的理論研究,進展非常緩慢。
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