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超導體電阻為零,那麼兩端加上電壓後,電流會不會無窮大?

歐姆定律只適用於純電阻電路,或者等效為純電阻的電路中;並不適用於超導體內,超導體的電流描述,需要用更基本的物理定律。

歐姆定律

歐姆定律是德國科學家喬治·西蒙·歐姆,在1826年提出來的物理定律,表述為:同一電路中,通過某段導體的電流,與導體兩端的電壓成正比,與導體的電阻成反比,既I=U/R。

如果只看公式本身,當電阻為零時,似乎電路中的電流會變得無窮大,這顯然是有問題的;原因在於,歐姆定律是根據實驗總結出來的定律,本質上是經驗公式,不是嚴格的物理定律。

嚴格的物理定律,就比如牛頓第二定律F=ma;經驗公式,就比如海拔每提升100米,氣溫就下降大約0.6℃;前者是嚴格遵循的物理規律,後者只在一定範圍和精度內近似成立。

歐姆定律屬於經驗公式,科學實驗表明,對於電流承受能力足夠的某段導體,在1000安培內,歐姆定律的誤差小於1%,在10000安培時,歐姆定律的誤差小於2%,但是並不適用於超導體、半導體和氣體導電中。

超導體

對於超導體,我們需要使用更基本的物理定律,來描述通過超導體的電流,在物理學中電流定義為:單位時間內通過導體橫截面的電荷量,既I=Q/t。

這是電流的定義式,適用於任何情況,當然也適用於超導體內;超導體還可以看成,電流在通過超導體時,不會產生壓降。

在1954年3月16日~1956年9月5日,科學家做了著名的昂尼斯持久電流實驗,利用電磁感應激發環形超導體的電流,然後在接下來的兩年多時間裡,超導體內的電流沒有衰減,說明超導體的電阻絕對為零。

如果我們把電源電壓直接加在超導體兩端,由於超導體沒有電阻,所以相當於電源正負極短路,電流由電源的內電阻決定;如果我們把超導體加在電路當中,那麼可以通過串聯電路性質,來得到通過超導體的電流。

我們研究的電路圖中,其實所有導線都被近似看成超導體,因為我們默認導線是沒有電阻的,通過導線的電流也不產生壓降。

在實際當中,超導體還存在臨界電流密度Jc,當超過臨界電流後,超導體的超導特性將會消失,所以對於某段確定的超導體,電流並不會出現無限大。

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