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在《电路的载流子流图示例(2)—— 一个PN结电路》中,采用以电荷为载流子的载流子传输模型和载流子流图,分析了一个半导体PN结电路;又在《电路的载流子流图示例(3)—— 一个约瑟夫森结电路》中,采用以磁通为载流子的载流子传输模型和载流子流图,分析了一个超导约瑟夫森结电路。
两个典型电路的分析,展示了电路的“电荷-磁通二象性”。即一个电路,可以视为一个电荷传输系统,也可以视为一个磁通传输系统。电路的“电荷-磁通二象性”概念,见于《基于图(Graph)的5种电路分析方法(3)——电路的电荷-磁通二象性》一文。
因此,电路分析的模型和方法,要根据实现功能所使用的载流子来选择。一个电路,若以电荷为载流子实现功能,就用电荷传输模型和ECF图进行分析;若以磁通为载流子实现功能,就用磁通传输模型和MFF图进行分析。
具体的,半导体PN结电路用于构建电荷传输系统,超导约瑟夫森结电路则用来构建磁通传输系统。两种电路元件及其典型电路示例,对比如图1所示。
图1. PN结电路与约瑟夫森结电路对比
经过载流子传输模型及其载流子流图的诠释,可以看出:半导体PN结是电荷阀门,超导约瑟夫森结是磁通阀门;图1中所示的PN结电路和约瑟夫森结电路,具有结构相同的载流子流图,只是其中的载流子不同。
因此,理解PN结电路,就能理解约瑟夫森结电路。
基于传统电路图的约瑟夫森结电路分析,已在《基于图(Graph)的5种电路分析方法(4)——超导约瑟夫森结电路的分析》一文中进行了详细介绍。
回头再看,用二端子元件和节点连成的传统电路图,默认的载流子是电荷,描绘的是电荷传输路径;用来分析以电荷为载流子的PN结电路是合适的;但用来分析以磁通为载流子的约瑟夫森结电路,试图用节点电压(节点相位)和支路电流——描述电荷势能和动能的变量,来解析约瑟夫森结电路内部的磁通传输机制,则是“驴唇不对马嘴”。
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电磁场通量分配模型(Electromagnetic-Flux-Distribution Model)[1]是一种以电荷和磁通为载流子,分析电路,特别是相位相关(phase-dependent)电路(如约瑟夫森结电路,相滑移结电路)的通用模型;其对应的 磁通流通图(Magnetic-Flux-Flow diagram,MFF diagram)[2][3]和电通流图(Electric-charge-flow diagram,ECF diagram)[4] 是描绘电荷和磁通传输的新型交互式电路图,能帮助我们更直观地分析载流子的电磁场相互作用,加深对电路功能的理解。特别的,MFF图以磁通为载流子,直观地诠释了 具有宏观量子效应的超导约瑟夫森结电路 的工作原理。
[1] Y. L. Wang, "An Electromagnetic-Flux-Distribution Model for Analyses of Superconducting Josephson Junction Circuits and Quantum Phase-Slip Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 5, pp. 1-6, Aug 2022.
[2] Y. L. Wang, "Magnetic-Flux-Flow Diagrams for Design and Analysis of Josephson Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 33, no. 7, pp. 1-8, Oct 2023
[3] Y. L. Wang, "A general flux-Based Circuit Theory for Superconducting Josephson Junction Circuits," arXiv:2308.01693, pp. 1-35, 2023.https://doi.org/10.48550/arXiv. 2308.01693
[4] Y. L. Wang, " Electromagnetic-Field-Based Circuit Theory and Charge-Flux-Flow Diagrams," arXiv:2403.16025, pp. 1-40, 2024.https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.16025
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