Разность потенциалов на проводе с нулевым сопротивлением

Рассмотрим электрон, который входит в ваш кусок проволоки с некоторой скоростью$v_{in}$и выходит на другом конце со скоростью$v_{out}$:

Когда мы говорим, что провод имеет сопротивление, это означает, что наш электрон потеряет энергию и замедлится. Это означает, что мы должны снабдить электрон некоторой энергией, чтобы поддерживать его движение с той же скоростью. Эта энергия производится за счет создания разности потенциалов.$\Delta V$между концами проволоки. Это дает электрону энергию$e\Delta V$чтобы заменить энергию, которую он теряет в проводе.

Теперь предположим, что провод имеет нулевое сопротивление. Это означает, что любые электроны, протекающие через него, не замедляются, поэтому электронам не нужно добавлять дополнительную энергию, поэтому разность потенциалов между концами провода может быть равна нулю.

Вот почему электроны будут течь через идеальный проводник, даже если разность потенциалов равна нулю. Электроны имеют ненулевую скорость, когда они вталкиваются в провод тем, что составляет остальную часть цепи, и они просто продолжают двигаться по проводу с той же скоростью.

На самом деле у вас может быть разность потенциалов$\Delta V$между концами вашего провода с нулевым сопротивлением, и что он будет делать, так это ускорять электроны, проходящие через него. По сути, вы построили бы линейный ускоритель. Электрон увеличил бы свою энергию на$e\Delta V$при каждом проходе через провод. Чтобы поддерживать напряжение, вам нужно продолжать вливать мощность со скоростью, соответствующей увеличению кинетической энергии электронов.

Чтобы в обычном проводе (не сверхпроводнике, вакууме и т. д.) протекал ток, разность потенциалов на любом отрезке провода и электрическое поле в нем должны быть больше нуля.

В большинстве случаев разность потенциалов в проводах можно было бы приблизить к нулю, так как сопротивление проводов намного меньше, чем сопротивление других элементов цепи, в том числе аккумулятора, и, следовательно, большая часть напряжения падает на эти элементы. другие элементы.

В обычном анализе цепи (без участия сверхпроводников), когда мы говорим, что сопротивление провода равно нулю, мы на самом деле имеем в виду, что оно достаточно близко к нулю, так что падение напряжения на нем не оказывает существенного влияния на поведение цепи.

Если вы хотите точно понять, как это может работать, вы можете смоделировать каждый провод как резистор с низким номиналом, а затем взять предел, когда значение сопротивления станет равным нулю.

Если вы хотите узнать влияние фактического сопротивления провода, вы можете легко рассчитать сопротивление по удельному сопротивлению меди (~$1.72\times 10^{-8}{\rm\ \Omega\ m}$) и геометрия (площадь поперечного сечения и длина) провода. Если вы проектируете силовые цепи, вы обязательно столкнетесь с ситуациями, когда при проектировании необходимо учитывать сопротивление проводов.

1. Если разность потенциалов на крошечном поперечном сечении проводника равна нулю, то с какой стати электрон вообще течет по этому поперечному сечению? Не говоря уже о разности потенциалов по всей цепи.

Элементы цепей идеальны, как, например, безмассовые пружины в механике. Итак, если провод от положительного к отрицательному полюсу батареи имеет некоторое сопротивление, его можно представить резистором, соединенным проводами без сопротивления. Настоящие провода имеют некоторое сопротивление даже между близкими точками, но обычно на порядки меньше, чем резистивная нагрузка, такая как лампа.

2. Существует ли постоянное электрическое поле на проводе, подключенном к батарее? Если да, то как постоянна разность потенциалов на проводе с нулевым сопротивлением? Разве он не должен увеличиваться? Не нарушает ли это закон Ома? Если нет, то почему электроны вообще текут?

Отвечая на ваше первое сомнение, я предполагаю, что здесь вы говорите о сверхпроводящих проводах.

Если электроны находятся в состоянии покоя и к участку провода приложена разность потенциалов 0. Тогда очевидно будет 0 ток. Если на них не действует сила, они будут продолжать двигаться с постоянной скоростью (в данном случае скорость равна 0).

теперь многие люди наивно применяют закон Ома, чтобы сделать вывод, что в сверхпроводящих проводах из этого состояния покоя, где электроны покоятся, нулевой потенциал необходим для создания тока в проводе. Это абсолютная БЕССМЫСЛЕННОСТЬ для ГЕНЕРИРОВАНИЯ тока, сила должна быть приложена, что означает, что для ГЕНЕРИРОВАНИЯ тока ДОЛЖНА присутствовать разность потенциалов.

Обратите внимание, как я сказал ГЕНЕРИРОВАТЬ ток.

Закон Ома формулируется как

В=ИК

подстановка 0 в это уравнение дает, что для определенного тока «I» потенциал на этом проводе равен 0

Теперь, если вы понимаете, что на самом деле говорит закон Ома, то это технически верно. ОДНАКО эта разность потенциалов не представляет собой потенциал, необходимый для ГЕНЕРАЦИИ тока, скажем так. Фактически она представляет собой разность потенциалов, необходимую для ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯННОГО тока.

При нулевом сопротивлении сил, противодействующих движению электронов в проводе, электроны будут двигаться с постоянной скоростью. Допустим, у меня есть сверхпроводящий провод, и я прикладываю к нему разность потенциалов. Ясно, что начиная с состояния покоя электроны будут УСКОРЯТЬСЯ, и ток будет увеличиваться.

Теперь, какая разность потенциалов необходима, чтобы ПОДДЕРЖИВАТЬ этот постоянный ток, а не генерировать этот ток. Ясно, что в отсутствие сил сопротивления для поддержания этого тока необходим нулевой потенциал, так как если я перестану подавать потенциал на свой провод, электроны будут продолжать двигаться с этой постоянной скоростью.

Почему закон Ома представляет собой потенциал, необходимый для поддержания тока?

Чтобы увидеть это ясно, давайте выведем микроскопический закон Ома.

(Поищите друдовскую модель проводимости.)

Уравнение движения электрона:

$ma = Eq -(m/T) v$

Здесь есть приложенное поле E с резистивным членом, пропорциональным скорости зарядов.

Ясно, что ускорение электрона сначала будет высоким, когда член V мал. Но по мере того, как электрон ускоряется, V будет становиться все больше и больше, пока не станет точно равным приложенному электрическому полю, как только это произойдет, электрон будет двигаться с постоянной скоростью.

Закон Ома является решением этого дифференциального уравнения в СТАЦИОНАРНОМ СОСТОЯНИИ и представляет КОНЕЧНУЮ скорость электрона после того, как сила сопротивления равна приложенному электрическому полю. Очевидно, чтобы найти конечную скорость электрона, мы установили a равным 0,

Установить а=0:

Это дает

Значение

$Eq-m/T v =0$

$v= (qT/m) E$

Подраздел в определении плотности тока

по определению J =$\rho v$

или$J= nq v$где n — некоторая числовая плотность. Подключаемся обратно к нашему уравнению

что означает, что плотность тока J в установившемся режиме пропорциональна электрическому полю в точке. так что для постоянного электрического поля J везде будет достигать некоторого постоянного значения

Итак, теперь мы можем понять, как выводится закон Ома, взяв стационарное решение приведенного выше дифференциального уравнения, мы можем понять, почему закон Ома дает V = 0 для R = 0, поскольку уравнение представляет собой условия, необходимые для нулевого ускорения. Что, очевидно, исходит из нулевого потенциала.

Очевидно, что для запуска тока необходима разность потенциалов.

На ваш второй вопрос дан ответ выше, поскольку закон Ома на самом деле не говорит, что есть нулевой потенциал, а скорее PD для поддержания постоянного тока. Если есть батарея, подключенная к сверхпроводящему проводу, то, безусловно, существует разность потенциалов на проводе, однако ток не будет постоянным, он будет увеличиваться. Следовательно, использование закона Ома таким образом просто нонсенс.

1. Если разность потенциалов на крошечном поперечном сечении проводника равна нулю, то с какой стати электрон вообще течет по этому поперечному сечению? Не говоря уже о разности потенциалов по всей цепи.

Разность потенциалов между двумя точками провода определяется как работа на единицу заряда, необходимая для перемещения заряда между двумя точками. Если нет сопротивления движению заряда в проводе (т. е. провод с нулевым сопротивлением), то не требуется никакой работы для перемещения заряда между двумя точками провода, и, таким образом, разность потенциалов равна нулю.

Механическая аналогия - это объект (аналог заряда), движущийся с постоянной скоростью по поверхности, полностью лишенной трения (аналогично проводу с нулевым сопротивлением). Никакой работы (разности потенциалов) не требуется, чтобы объект двигался с постоянной скоростью по поверхности без трения. Однако все проводники, кроме сверхпроводников, обладают сопротивлением.

2. Существует ли постоянное электрическое поле на проводе, подключенном к батарее? Если да, то как постоянна разность потенциалов на проводе с нулевым сопротивлением? Разве он не должен увеличиваться? Не нарушает ли это закон Ома? Если нет, то почему электроны вообще текут?

Электрическое поле$E$вдоль однородного провода равен градиенту напряжения по длине$l$из проволоки или$E=V/l$. Итак, для провода с нулевым сопротивлением$E=0$в проводе. Такой провод будет считаться суперпроводником (нулевым сопротивлением). В сверхпроводнике электроны могут течь непрерывно без электрического поля. Однако, чтобы инициировать поток электронов, их необходимо ускорить силой электрического поля.

Это поле может питаться от батареи. Но как только электроны начнут течь, вся ЭДС (и поле) батареи будет направлена ​​на внутреннее сопротивление, которое всегда присутствует в настоящих батареях, а не на провод с нулевым сопротивлением.

Нарушения закона Ома нет$V=IR$. Если$V=0$и$R=0$,$I$теоретически может принимать любое ненулевое значение.

Надеюсь это поможет.

Проволока - это термин, тесно связанный с куском металла. Металлы не являются сверхпроводниками с нулевым сопротивлением. Так что вопрос несколько некорректен.

На google.com уже найдено несколько отличных определений, которые в некоторой степени отвечают на вопросы, относящиеся к основным вопросам. Например:

Цепь без сопротивления (0) будет означать полную цепь или цепь, в которой нет короткого замыкания. Цепь с полным сопротивлением указывала бы на полностью разомкнутую цепь, через которую ток не мог пройти.

Вот еще один:

Идеальный провод имеет нулевое сопротивление, чтобы передавать мощность без потерь. Согласно закону Ома, падение напряжения на проводе равно V = I x R, если R равно нулю, независимо от силы тока падение напряжения на проводе равно нулю.

Есть еще один способ записать формулу Сименса, то есть противоположные Омы лежат.

Их процесс проведения является как в интерпретации статистическим, так и основанным на моделях, подобных броуновскому движению. Если такого процесса, который может быть описан броуновским движением, нет, то изменяется удельное сопротивление или проводимость.

Недавно было сделано новое открытие по этой теме в дополнение к сверхпроводимости, сверхпроводимости или куперовским парам. Это использовало тот факт, что пары предпочтительнее для обеспечения изменений удельного сопротивления или проводимости.

То есть назвать лимиты несколько подробнее:

Сверхпроводник не экранирует и не изменяет электрическое поле в измеримой степени. Прикладывается разность потенциалов. Это приводит к току, который бесконечен из-за нулевого удельного сопротивления. Ток ограничен индуктивностью. Оно не уходит в бесконечность мгновенно, а бесконечно возрастает. В реальном мире ток ограничен критической плотностью тока или критической напряженностью магнитного поля материала.

Одним из известных явлений являются пары Купера . Они проверены в сверхпроводниках. Это находится в стадии недавней экспериментальной разработки, включая такие открытия, как открытие сегментированной ферми-поверхности Купера . Они называют это квазичастицами, индуцированными сверхтоком. На этой странице показаны некоторые старые модели: пары Cooper . Эти группы работают над повышением температуры, при которой появляются куперовские пары: пары бондарей обнаруживаются выше критической температуры для сверхпроводимости .

Это касается

«Две парадигмы» Исследователи обнаружили четкие доказательства того, что, хотя образец перестал быть сверхпроводником при температуре 2,95 К, дробовой шум упал с куперовских пар до шума электронов только при повышении температуры выше 7,2 К. Странный аспект заключается в том, что нитрид титана не имеет псевдощели. «С точки зрения физики я нахожу это очень увлекательным, потому что есть эти две парадигмы — одна — электронные пары в сверхпроводнике, другая — хороший металл, сделанный из фермионов». — говорит Аллан. — У нас хороший металл: в нем нет щели. Но похоже, что наш металл состоит из пар, которые больше похожи на бозоны, чем на фермионы. Мы не открыли ничего нового о псевдощели, но мы помещаем некоторые из этих открытий в контекст».

Таким образом, чтобы что-то понять, нужно не только иметь дело с продвинутой температурной концепцией по сравнению с броуновскими движениями, но и быть твердым со сферами Ферми в твердых телах, знать все о дробовом шуме, например, как он генерируется, поддерживается и измеряется, и намного больше. Помимо термодинамики, квантовой механике нужно знать и располагать гораздо больше, чтобы накопить некоторые компетенции для понимания и описания этого нулевого сопротивления или проводимости в твердых телах.

Эти группы используют графен как несколько более простое твердое тело, предлагающее более простые ответы: распространение куперовских пар и сверхпроводящие корреляции в графене .

Уже есть сверхпроводники второго рода, действительно сверхпроводящие — они передают электричество, не рассеивая энергию. . Они распространяют это чудо спаривания на фотоны: пары фотонов подобны куперовским парам , что крайне необходимо из-за статистики, действительной для куперовских пар.

Так что пределы не достигнуты и не будут достигнуты, так как у нас есть земная среда, люди и так далее. Конечность физична, бесконечность — нет. Для людей доступность всегда конечна.