Постоянный ток - Persistent current

Постоянный ток это вечный электрический ток, не требующий внешнего источника питания.

В намагниченных объектах

В электромагнетизме все намагниченности можно рассматривать как микроскопические постоянные токи. намагничивание ${\displaystyle \mathbf {M} }$ можно заменить его соответствующей микроскопической формой, которая представляет собой плотность электрического тока:

${\displaystyle \mathbf {J_{m}} =\nabla \times \mathbf {M} }$

Этот ток является связанным током, с которым не связано никакого накопления заряда, поскольку он без расхождения Это означает, что любой постоянно намагниченный объект, например, кусок магнит, можно считать, что по нему протекают постоянные электрические токи (постоянные токи обычно сосредоточены около поверхности).

Верно и обратное: любой постоянный электрический ток не имеет расходимости и поэтому может быть представлен вместо намагниченности. Следовательно, в макроскопическом Уравнения Максвелла, это чисто математический выбор: представлять ли постоянные токи как намагниченность или наоборот. Однако в микроскопической формулировке уравнений Максвелла ${\displaystyle \mathbf {M} }$ не появляется, поэтому любые намагниченности должны быть представлены связанными токами.

В сверхпроводниках

В сверхпроводники, заряд может течь без какого-либо сопротивления. Можно изготавливать части сверхпроводника с большим встроенным постоянным током, либо создавая сверхпроводящее состояние (охлаждая материал), пока заряд течет через него, либо изменяя магнитное поле вокруг сверхпроводника после создания сверхпроводящего состояния.^[1] Этот принцип используется в сверхпроводящие электромагниты для создания устойчивых сильных магнитных полей, для поддержания которых требуется лишь небольшое количество энергии. Постоянный ток был впервые идентифицирован Х. Камерлинг-Оннес, а попытки установить нижнюю границу их продолжительности достигли значений более 100 000 лет.^[2]

В резистивных проводниках

Схема постоянного тока. Зеленая стрелка указывает направление статического электричества. магнитное поле B, который позволяет чистому току I (синяя стрелка) течь и создавать намагничивание M (черная стрелка), сломав симметрия между по часовой стрелке и токи против часовой стрелки. Желтая точка представляет собой электрон пересекая неупорядоченный материал кольца (зеленые звезды) без рассеяние. Типичный кольцевой ток составляет 1 наноампер для диаметра кольца 0,6 микрометр в температура ниже 0,5 кельвин.^[3]

Удивительно, но также возможно иметь крошечные постоянные токи внутри резистивных металлов, помещенных в магнитное поле, даже в металлах, которые номинально являются «немагнитными».^[4]Ток является результатом квантово-механический эффект, влияющий на то, как электроны путешествовать через металлы и возникает в результате того же движения, которое позволяет электронам внутри атом на орбиту ядро навсегда.

Этот тип постоянного тока является мезоскопический низкотемпературный эффект: величина тока становится заметной, когда размер металлической системы уменьшается до масштаба электронной квантовой фазы длина когерентности и тепловая длина. Постоянные токи уменьшаются с повышением температуры и экспоненциально исчезают при превышении температуры, известной как температура Таулеса. Эта температура масштабируется как величина, обратная квадрату диаметра контура.^[3] Следовательно, было высказано предположение, что постоянные токи могут протекать до комнатной температуры и выше в нанометровых металлических структурах, таких как наночастицы металлов (Au, Ag, ...). Эта гипотеза была предложена для объяснения особых магнитных свойств наночастиц из золота и других металлов.^[5] В отличие от сверхпроводников, эти постоянные токи не возникают при нулевом магнитном поле, поскольку ток колеблется симметрично между положительными и отрицательными значениями; магнитное поле нарушает эту симметрию и допускает ненулевой средний ток. Хотя постоянный ток в отдельном кольце в значительной степени непредсказуем из-за неконтролируемых факторов, таких как конфигурация беспорядка, он имеет небольшое смещение, так что средний постоянный ток появляется даже для ансамбль проводников с разной конфигурацией беспорядка.^[6]

Этот вид постоянного тока был впервые предсказан экспериментально наблюдаемым в кольцах микрометрового масштаба в 1983 году Маркусом Бюттикером, Йосеф Имри, и Рольф Ландауэр.^[7] Поскольку эффект требует фазовой когерентности электронов вокруг всего кольца, ток не может наблюдаться, когда кольцо прерывается амперметр и поэтому ток должен измеряться косвенно через его намагничивание Фактически, все металлы проявляют некоторую намагниченность в магнитных полях из-за комбинации эффект де Хааса – ван Альфена, основной диамагнетизм, Диамагнетизм Ландау, Парамагнетизм Паули, которые появляются независимо от формы металла. Дополнительная намагниченность от постоянного тока становится сильной с подключенной формой кольца и, например, исчезнет, ​​если кольцо будет разрезано.^[6]

Экспериментальные свидетельства наблюдения постоянных токов были впервые представлены в 1990 г. исследовательской группой в г. Bell Laboratories используя сверхпроводящий резонатор для изучения массива медь кольца.^[8] Последующие измерения с использованием сверхпроводящий резонаторы и чрезвычайно чувствительные магнитометры, известные как сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID) дали противоречивые результаты.^[9]В 2009 году физики Стэндфордский Университет с помощью сканирующего сквида^[10] и в Йельский университет с помощью микроэлектромеханический консоли^[3] сообщил об измерениях постоянных токов в наномасштабе золото и алюминий кольца соответственно, которые оба показали сильное согласие с простой теорией для невзаимодействующих электронов.

«Это обычные несверхпроводящие металлические кольца, которые мы обычно воспринимаем как резисторы, но эти токи будут течь вечно, даже в отсутствие приложенного напряжения».

— Джек Харрис, доцент кафедры физики и прикладной физики Йельского университета.

Измерения 2009 года показали более высокую чувствительность к постоянным токам, чем предыдущие измерения, и сделали несколько других улучшений в обнаружении постоянного тока. Способность сканирующего СКВИДа изменять положение СКВИД-детектора относительно кольцевого образца позволяла измерять количество колец на одном образце образца и лучше извлекать текущий сигнал из фоновый шум. Техника механического обнаружения кантилеверного детектора позволила измерить кольца в чистом виде. электромагнитный окружающая среда в широком диапазоне магнитное поле а также измерить количество колец на одном образце микросхемы.^[11]

Смотрите также

• Эффект Ааронова – Бома - Электромагнитный квантово-механический эффект в областях нулевого магнитного и электрического поля.
• Теорема Байерса-Янга
• Мезоскопическая физика - Поддисциплина физики конденсированного состояния, связанная с материалами промежуточной длины.
• Вечное движение - Работа ведется непрерывно без внешнего источника энергии

Рекомендации

1. Yen, F .; Чен, X .; Wang, R. B .; Zhu, J. M .; Li, J .; Ма, Г. Т. (2013). «Наведенные токи в замкнутых сверхпроводящих катушках II типа». IEEE Trans. Appl. Сверхсекунда. 23 (6): 8202005. Bibcode:2013ITAS ... 23 ... 86 лет. Дои:10.1109 / TASC.2013.2273534.
2. Файл J, Mills, R Письма с физическими проверками 1963
3. Bleszynski-Jayich, A.C .; Shanks, W. E .; Peaudecerf, B .; Ginossar, E .; фон Оппен, Ф .; Глазман, Л .; Харрис, Дж. Г. Э. (2009). "Постоянные токи в обычных металлических кольцах" (PDF). Наука. 326 (5950): 272–5. Bibcode:2009Sci ... 326..272B. Дои:10.1126 / science.1178139. PMID  19815772.
4. «Измерение неуловимого« постоянного тока », который течет вечно». R&D Daily. 12 октября 2009 г.
5. Греже, Ромен (2012). «Магнитные свойства наночастиц золота: квантовый эффект при комнатной температуре». ХимФисХим. 13 (13): 3092–3097. Дои:10.1002 / cphc.201200394.
6. Аккерманс, Эрик; Монтамбо, Жиль (2007). Мезоскопическая физика электронов и фотонов. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-85512-9.
7. Büttiker, M .; Imry, Y .; Ландауэр Р. (1983). «Джозефсоновское поведение в малых нормальных одномерных кольцах». Phys. Lett. А. 96 (7): 365. Bibcode:1983ФЛА ... 96..365Б. CiteSeerX  10.1.1.205.7310. Дои:10.1016/0375-9601(83)90011-7.
8. Леви, Л. П .; Долан, G .; Dunsmuir, J .; Бушиа, Х. (1990). "Намагничивание мезоскопических медных колец: свидетельства постоянных токов". Phys. Rev. Lett. 64 (17): 2074–2077. Bibcode:1990ПхРвЛ..64.2074Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.64.2074. PMID  10041570.
9. «Физики измеряют неуловимый« постоянный ток », который течет вечно». ScienceDaily. 12 октября 2009 г.
10. Bluhm, H .; Koshnick, N .; Bert, J .; Huber, M .; Молер, К. (2009). «Постоянные токи в нормальных металлических кольцах». Phys. Rev. Lett. 102 (13): 136802. arXiv:0810.4384. Bibcode:2009ПхРвЛ.102м6802Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.136802. PMID  19392385.
11. Бирдж, Норман О. (2009). «Ощущение небольшого, но постоянного тока». Наука. 326 (5950): 244–5. Bibcode:2009Sci ... 326..244B. Дои:10.1126 / наука.1180577. PMID  19815766.