高中物理教材第二冊(cè)（必修加選修）在介紹超導(dǎo)（p129）時(shí),有這么一段話：“超導(dǎo)體電阻幾乎為零,如果用超導(dǎo)體材料制成一個(gè)閉合線圈,在這個(gè)線圈里一旦激發(fā)出電流,不需要電源,電流就可以持續(xù)幾十天之久而不減小.”對(duì)于喜歡鉆研的學(xué)生來(lái)說(shuō),這些話會(huì)讓他們產(chǎn)生諸多疑惑：首先,線圈該加上一個(gè)怎樣的電源?拿走電源時(shí)如果需斷開(kāi)電路,電路中不可能有電流的,更談不上持續(xù)問(wèn)題了；其次,無(wú)論多小的電壓（電動(dòng)勢(shì)）加到電阻為零的用電器上時(shí),由歐姆定律I=U/R知,產(chǎn)生的電流將是無(wú)窮大.但這可能嗎?最后,沒(méi)有電壓（電動(dòng)勢(shì)）而有電流,這讓人無(wú)法理解,書(shū)上不是說(shuō)產(chǎn)生電流的條件是在導(dǎo)體的兩端保持電壓么?
要回答這些問(wèn)題,必須綜合運(yùn)用電流、電磁感應(yīng)甚至電磁波的知識(shí).我們不妨在學(xué)完高中物理全部電學(xué)知識(shí)后,再加以說(shuō)明.
大家都知道,若將金屬環(huán)放在變化磁場(chǎng)中,則環(huán)內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流,對(duì)于正常金屬來(lái)說(shuō),當(dāng)磁場(chǎng)去掉后,環(huán)內(nèi)電流很快衰減為零,而對(duì)于超導(dǎo)環(huán),情況卻完全不同,下圖為著名的持續(xù)電流實(shí)驗(yàn).
將一超導(dǎo)圓環(huán)放在磁場(chǎng)中并冷卻到臨界溫度以下,突然撤去磁場(chǎng),則在超導(dǎo)壞中產(chǎn)生感生電流.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),此電流可以持續(xù)存在,觀察幾年也未發(fā)現(xiàn)電流有明顯變化.對(duì)此現(xiàn)象的解釋是：由于線圈磁通量的變化,在環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).盡管回路的電阻為零,但由于線圈的自感,在電流增大的同時(shí),伴生的反電動(dòng)勢(shì)阻礙了電流的進(jìn)一步無(wú)限地增大.這就說(shuō)明了超導(dǎo)線圈中的電流可以很大卻不能無(wú)限大.
設(shè)線圈的自感系數(shù)為L(zhǎng),環(huán)中原來(lái)的磁通量為Φ.,開(kāi)始時(shí)環(huán)中無(wú)電流.在磁通量變化的過(guò)程中,由基爾霍夫定律：
－dΦ/dt = L di/dt
兩邊積分,得 －L I = Φ + c (c為任意常數(shù))
由初始條件：Φ＝Φ.時(shí) I = 0 ,c = -Φ.
所以I = (Φ.-Φ)/L
即超導(dǎo)環(huán)中電流與磁通量變化成正比,與自感系數(shù)成反比.一旦線圈重新處于一恒定的磁場(chǎng)而磁通量不再變化,電流將穩(wěn)定在某一值上而不再變化.
如何理解上面的結(jié)論呢?從能量轉(zhuǎn)換和守恒的角度看,環(huán)中電流對(duì)應(yīng)一定的能量.只有此形式能量向其他形式能量轉(zhuǎn)換,電流才會(huì)減少.由于電阻為零,線圈的熱功率為零,故不存在熱損耗而使電流減小.那么,是否還有其它形式的能量損耗呢,例如電磁輻射?根據(jù)麥克斯韋理論,電磁波的能流密度S (Pointing矢量)＝E×H ,E、H分別電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度.穩(wěn)恒電流激發(fā)恒定磁場(chǎng)但恒定磁場(chǎng)不再激發(fā)出電場(chǎng),即 E=0 ,S=0 ,線圈也不輻射電磁波.超導(dǎo)線圈將由于穩(wěn)定的能量而保持穩(wěn)定的電流.
電壓并不是電流的必要條件,它只是在電阻中維持電流才是必須的.例如電磁振蕩中,振蕩電流最大時(shí)線圈電壓也是為零.
應(yīng)該指出的是,超導(dǎo)體只有在直流情況下才有零電阻現(xiàn)象,若電流隨時(shí)間變化,將會(huì)有功率耗散.
超導(dǎo)線圈在電壓為零或很小的情況下能保持強(qiáng)大的電流,這為我們儲(chǔ)存電能提供了十分誘人的前景.據(jù)測(cè)算,如能在高溫超導(dǎo)上取得突破,從而采用大規(guī)模的超導(dǎo)材料儲(chǔ)存電能,我國(guó)電能將能節(jié)約1/3以上 ,這還不包括在輸電環(huán)節(jié)上由于采用超導(dǎo)技術(shù)而節(jié)約的電能呢.