Постоянный ток

В физике , постоянный ток — это постоянный электрический ток не требующий внешнего источника питания. Такой ток невозможен в обычных электрических устройствах, поскольку все обычно используемые проводники имеют ненулевое сопротивление, и это сопротивление быстро рассеивает любой такой ток в виде тепла. Однако в сверхпроводниках и некоторых мезоскопических устройствах постоянные токи возможны и наблюдаются из-за квантовых эффектов . В резистивных материалах постоянные токи могут возникать в микроскопических образцах из-за размерных эффектов. Постоянные токи широко используются в виде сверхпроводящих магнитов .

В намагниченных предметах

В электромагнетизме все намагничивания можно рассматривать как микроскопические постоянные токи.По определению намагниченность $\mathbf {M}$ можно заменить соответствующей микроскопической формой, представляющей собой плотность электрического тока:

$\mathbf {J} =\nabla \times \mathbf {M}$.

Этот ток является связанным током, не имеющим никакого накопления заряда, связанного с ним, поскольку он недивергентен .Это означает, что через любой постоянно намагниченный объект, например кусок магнита , можно считать, что через него проходят постоянные электрические токи (постоянные токи обычно концентрируются вблизи поверхности).

Верно и обратное: любой постоянный электрический ток не имеет дивергенций и, следовательно, может быть представлен намагниченностью.Следовательно, в макроскопических уравнениях Максвелла это просто выбор математического удобства: представлять ли постоянные токи как намагниченность или наоборот.Однако в микроскопической формулировке уравнений Максвелла $\mathbf {M}$ не появляется, и поэтому любые намагничивания должны быть представлены связанными токами.

В сверхпроводниках

В сверхпроводниках заряд может течь без всякого сопротивления. Можно создать кусочки сверхпроводника с большим встроенным постоянным током, либо создавая сверхпроводящее состояние (охлаждая материал) во время прохождения через него заряда, либо изменяя магнитное поле вокруг сверхпроводника после создания сверхпроводящего состояния. Этот принцип используется в сверхпроводящих электромагнитах для создания устойчивых сильных магнитных полей, для поддержания которых требуется лишь небольшое количество энергии. Постоянное течение было впервые выявлено Х. Камерлинг-Оннесом , а попытки установить нижнюю границу его продолжительности достигли значений, превышающих 100 000 лет.

В резистивных проводниках

Схема постоянного тока. Зеленая стрелка указывает направление статического приложенного магнитного поля B, которое позволяет течь чистому току I (синяя стрелка) и создавать намагниченность M (черная стрелка), нарушая симметрию между токами по часовой стрелке и против часовой стрелки. Желтая точка представляет электрон , пересекающий неупорядоченный материал кольца (зеленые звезды) без диссипации . Типичный кольцевой ток составляет 1 наноампер для кольца диаметром 0,6 микрометра при температуре ниже К. 0,5

Удивительно, но также возможно иметь крошечные постоянные токи внутри резистивных металлов, помещенных в магнитное поле, даже в металлах, которые номинально «немагнитны». Ток является результатом квантово-механического эффекта, который влияет на то, как электроны проходят через металлы, и возникает в результате того же движения, которое позволяет электронам внутри атома вечно вокруг ядра вращаться .

Этот тип постоянного тока представляет собой мезоскопический низкотемпературный эффект: величина тока становится заметной, когда размер металлической системы уменьшается до масштаба длины фазовой когерентности квантов электронов и тепловой длины. Постоянные токи уменьшаются с увеличением температуры и исчезают экспоненциально выше температуры, известной как температура Таулеса. Эта температура масштабируется как обратная квадрату диаметра цепи. Следовательно, было высказано предположение, что постоянные токи могут течь до комнатной температуры и выше в нанометрических металлических структурах, таких как наночастицы металлов (Au, Ag,...) . Эта гипотеза была предложена для объяснения необычных магнитных свойств наночастиц золота и других металлов. В отличие от сверхпроводников, эти постоянные токи не возникают при нулевом магнитном поле, поскольку ток симметрично колеблется 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 ансамбля проводников с различными конфигурациями беспорядка.

Впервые этот вид постоянного тока был предсказан экспериментально наблюдаемым в кольцах микрометрового масштаба в 1983 году Маркусом Бюттикером, Йозефом Имри и Рольфом Ландауэром . Поскольку для этого эффекта требуется фазовая когерентность электронов вокруг всего кольца, ток нельзя наблюдать, когда кольцо прерывается амперметром , и, следовательно, ток необходимо измерять косвенно через его намагниченность .Фактически, все металлы проявляют некоторую намагниченность в магнитных полях из-за комбинации эффекта де Гааса-Ван Альфена , диамагнетизма сердечника , диамагнетизма Ландау , парамагнетизма Паули , которые проявляются независимо от формы металла.Дополнительная намагниченность от постоянного тока становится сильной при соединении формы кольца и, например, исчезнет, ​​если кольцо разрезать.

Экспериментальные доказательства наблюдения постоянных токов были впервые представлены в 1990 году исследовательской группой Bell Laboratories, которая использовала сверхпроводящий резонатор для изучения массива медных колец. Последующие измерения с использованием сверхпроводящих резонаторов и чрезвычайно чувствительных магнитометров, известных как сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (СКВИДы), дали противоречивые результаты. В 2009 году физики Стэнфордского университета использовали сканирующий СКВИД. и в Йельском университете с использованием микроэлектромеханических кантилеверов. сообщили об измерениях постоянных токов в наноразмерных золотых и алюминиевых кольцах соответственно, которые оба показали сильное согласие с простой теорией для невзаимодействующих электронов.

«Это обычные несверхпроводящие металлические кольца, которые мы обычно думаем как резисторы, однако эти токи будут течь вечно, даже при отсутствии приложенного напряжения».

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

Измерения 2009 года показали большую чувствительность к постоянным токам, чем предыдущие измерения, а также внесли ряд других улучшений в обнаружение постоянных токов. Способность сканирующего СКВИДа изменять положение детектора СКВИДа относительно образца кольца позволила измерить количество колец на одном чипе образца и лучше выделить текущий сигнал из фонового шума . Метод механического обнаружения кантилеверного детектора позволил измерить кольца в чистой электромагнитной среде в широком диапазоне магнитных полей , а также измерить количество колец на одном образце чипа.

См. также

• Эффект Ааронова – Бома - Электромагнитный квантовомеханический эффект в областях отсутствия магнитного и электрического полей.
• Теорема Байерса-Янга - Теорема квантовой механики. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Мезоскопическая физика - раздел физики конденсированного состояния, изучающий материалы промежуточного размера.
• Вечный двигатель - работа, выполняемая непрерывно без привлечения внешней энергии.