王永良
“哥尼斯堡”电路学(6)—载流子流(ECF)图
2024-6-4 17:46
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在《哥尼斯堡电路学(4)— 通用系统模型》中,我们得到了载流子传输系统的通用动力学模型,在数学上描述了两种对象——载流子容器载流子传输通道,之间的物质能量交换;进一步,我们将这种二元对象的交互关系绘制成载流子流Energy-carrier-flow, ECF)图[4]。载流子传输系统的通用动力学模型与ECF元素的对应关系,如图1所示。

 图1-载流子系统模型及载流子流图.jpg

1. 载流子传输系统的通用动力学模型与ECF图[4]

ECF图中的图形元素,描述了载流子传输系统的“两种对象”,“两种输入”,“三种关系”。

一、“两种对象”

1载流子容器Energy-carrier-containerECC),在ECF图中,被绘制成圆圈,如图1a)所示。所有容器势能的参考基准点,用图1b)所示符号表示。

2) 载流子传输通道Energy-carrier-pipelineECP),在ECF图中,被绘制成长条,如图1c)所示。

二、“两种输入”

1)容器的外部载流子输入Qe),是系统外向容器注入的载流子量。例如,图1d)中, Qe_i 是外部注入到容器 ECC-i 的载流子数量。

2)通道的外部偏置电压输入Vb),是系统外为传输通道提供的偏置电压。例如,图1d)中, vb_x 是外部加载在通道 ECP-的偏置电压。

三、“三种关系”

1)矩阵σn定义的容器与通道之间的“吞”“吐”关系。σn中,值为1的元素代表“”关系,值为-1的元素代表“”关系。例如,在图1d)中,

 将 σn_iz = 1,绘制成一根连接 ECC-i 和 ECP-的单箭头连线;箭头由 ECC-指向 ECP-z,表明 ECP-z 从 ECC-i ”入载流子(传输物质)。

 将 σn_ix =1,绘制成一根连接 ECC-i  和 ECP-的单箭头连线;箭头由 ECP-x 指向 ECC-i ,表明 ECP-x 向 ECC-i ”出载流子(传输物质)。

   2)矩阵Cn定义的容器与容器之间的“挤压”关系。Cn中,不为零且都取正值的元素,描述容器间相互“挤压”,传导势能的效应。

例如,图1d)中,将 Cn_ij > 0 绘制成一根连接 ECC-i 和 ECC-j 的双箭头连线,表示两个容器,通过 传导势能 相互“挤压”。

   3)矩阵Lcp定义的通道与通道之间的“竞”“合”关系。Lcp中,不为零的元素,描述通道间相互“竞争”与“合作”,传导动能的效应。

例如,在图1d)中, 将 Mcp_xy ≠ 0,绘制成一根连接 ECP-x 和 ECP-y 的双箭头连线。

如果 Mcp_xy < 0,那么 ECP-x 提升/降低“吞吐”速度,将降低/提升ECP-y的“吞吐”速度,描述了ECP-x ECP-y 通过 传导动能 相互阻滞的“竞争”关系。

如果 Mcp_xy > 0,那么 ECP-x 提升/降低“吞吐”速度,将提升/降低ECP-y的“吞吐”速度,描述了ECP-和 ECP-y 通过 传导动能 相互促进的“合作”关系。

附:两个ECF图示例

一个“哥尼斯堡”型的载流子传输系统,如图2a)所示,由3ECC7ECP构成;对应的ECF图如图2b)所示,其中Ground就是基准点-B

 图2-哥尼斯堡载流子系统.jpg

2. “哥尼斯堡型载流子系统及其ECF

一个简单的电路,如图3a)所示。其中,含有内阻Rs的电源Vs,通过两根导线与负载电阻 R连接成回路。导线有等效电感 L1;负载 RL 两端有对地电容C1。我们根据载流子传输模型,定义该电路里的 ECC 和 ECP,并绘制出ECF图,如图3b)所示。

 图3-简单电路的ECF图.jpg

3. 一个简单电路及其ECF图[4]

  下一步,将对 ECF 基于基尔霍夫定律的传统电路图 进行对比,… (未完待续)

类比是一种本能思维模式,虽不严谨,但符合直觉,可以加快对复杂事物的理解。

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 diagramMFF diagram[2][3]和电通流图(Electric-charge-flow diagramECF 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 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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