假設超導體內(nèi)有一個電流,那么超導體兩端的電壓為0,這完全符合歐姆定律.無論超導體內(nèi)的電流有多大,超導體兩端的電壓差始終為0,也就不存在你所顧慮的在超導體兩端加一個電壓,造成電流無限大的情況了.
在超導體中產(chǎn)生電流,必須使用外部設備,比如通過引線將電流導入超導體,或者通過在超導線圈上加變化的磁場.對于方式1,引線和電源本身是有內(nèi)阻的,所以電流不可能無窮大.對于第二種方式,磁場的變化率也不可能無窮大,所以不存在電流無窮大的情況.
高中物理教材第二冊（必修加選修）在介紹超導（p129）時,有這么一段話：“超導體電阻幾乎為零,如果用超導體材料制成一個閉合線圈,在這個線圈里一旦激發(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.”對于喜歡鉆研的學生來說,這些話會讓他們產(chǎn)生諸多疑惑：首先,線圈該加上一個怎樣的電源?拿走電源時如果需斷開電路,電路中不可能有電流的,更談不上持續(xù)問題了；其次,無論多小的電壓（電動勢）加到電阻為零的用電器上時,由歐姆定律I=U/R知,產(chǎn)生的電流將是無窮大.但這可能嗎?最后,沒有電壓（電動勢）而有電流,這讓人無法理解,書上不是說產(chǎn)生電流的條件是在導體的兩端保持電壓么?
要回答這些問題,必須綜合運用電流、電磁感應甚至電磁波的知識.我們不妨在學完高中物理全部電學知識后,再加以說明.
大家都知道,若將金屬環(huán)放在變化磁場中,則環(huán)內(nèi)將產(chǎn)生感應電流,對于正常金屬來說,當磁場去掉后,環(huán)內(nèi)電流很快衰減為零,而對于超導環(huán),情況卻完全不同,下圖為著名的持續(xù)電流實驗.
將一超導圓環(huán)放在磁場中并冷卻到臨界溫度以下,突然撤去磁場,則在超導壞中產(chǎn)生感生電流.實驗發(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)生感應電動勢.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,伴生的反電動勢阻礙了電流的進一步無限地增大.這就說明了超導線圈中的電流可以很大卻不能無限大.
設線圈的自感系數(shù)為L,環(huán)中原來的磁通量為Φ.,開始時環(huán)中無電流.在磁通量變化的過程中,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 I = 0 ,c = -Φ.
所以 I = (Φ.-Φ)/L
即超導環(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.
如何理解上面的結論呢?從能量轉換和守恒的角度看,環(huán)中電流對應一定的能量.只有此形式能量向其他形式能量轉換,電流才會減少.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分別電場強度和磁場強度.穩(wěn)恒電流激發(fā)恒定磁場但恒定磁場不再激發(fā)出電場,即 E=0 ,S=0 ,線圈也不輻射電磁波.超導線圈將由于穩(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,振蕩電流最大時線圈電壓也是為零.
應該指出的是,超導體只有在直流情況下才有零電阻現(xiàn)象,若電流隨時間變化,將會有功率耗散.
超導線圈在電壓為零或很小的情況下能保持強大的電流,這為我們儲存電能提供了十分誘人的前景.據(jù)測算,如能在高溫超導上取得突破,從而采用大規(guī)模的超導材料儲存電能,我國電能將能節(jié)約1/3以上 ,這還不包括在輸電環(huán)節(jié)上由于采用超導技術而節(jié)約的電能呢.