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71年 蔡少棠论文 梗概(1)
蔡少棠《忆阻器:消失的第四器件》阅读梗概
(注:本文虽说是“梗概”,但绝大多数部分是对原文的翻译,只有少数部分是自己附加进去的一些解释。)
2008年,一个叫 忆阻器,被称为传统RLC以外的“第四器件”横空出世,其神奇的性能和应用潜景引起了广泛关注。
但是,媒体报道的内容并不足以全面地刻画 忆阻器 的性质,所以,为了尽可能更全面地了解 这神奇的第四器件的性质,我找来了1971年,忆阻器的最早理论预言者 蔡少棠的教授的相关论文阅读。
长长的13页英文论文,对于我来说,是个不小的挑战:语言障碍,复杂的数学证明,高深的电磁学理论。我所拥有的一点基础捉襟见肘,步履艰难。
但是出于兴趣,也出于自己的承诺,所以我还是努力地多次借助电子词典,反复阅读,以求尽可能读懂个大概。
所幸,这篇38年前的论文,不愧是出自大师之手,全文文理清楚,层次分明,所以即便学识浅薄如我者,无法读懂其证明推理,也可以观其要旨,对 忆阻器 有一个轮廓性的了解。
写此文,心中实在忐忑不安,如上所述,限于笔者水平有限,所以虽然经过多番努力,但仍然难免有错,同时也因无法读通全文,所以肯定不全面。
只求抛砖引玉,让更多的人来关注这个神奇(但已经实际在研究的的属于不远的将来的器件。也希望让更多水平更高的朋友指正,让我们更深一步地了解它!
以下是梗概正文:
首先介绍一下论文的结构:
第一部分:属于对摘要的进一步扩充,同时对全文的主要内容作了一番简要说明。
第二部分:介绍了预言忆阻器和定义的电磁学背景,(因为当时没有发现纯自然存在的忆阻器),同时完整地展示了相应的转换器并给出了验证过程的详细。
第三部分:这一部分(还有第四,五部分)是全文的重难点,首先给出了 忆阻器的阻抗特性方程,然后理论预言了忆阻器的几个性质,每一个都给出了很详尽的证明。
第四部分:仿照用麦克斯韦方程对RLC的电磁特性解释,作者试图同样用麦克斯韦方程的准静态式给忆阻器一个电磁解释。
第五部分:举了三个例子,说明了忆阻器可能的一些新颖的应用领域。
这三部分是全文的重难点,其中对于每一个内容都有完整的公式推导和证明,可惜,这也正是让笔者头皮发麻的地方,同时,也出于本梗概“介绍型”和抛砖引玉的定位,笔者只能观其要旨,并把它们展现出来,至于完整的证明和推导过程,只能请感兴趣的读者去阅读原文了。
第六部分:对全文的总结和对忆阻器存在,应用等方面的展望。
以下是各部分的主要内容:
第一部分 介绍
这篇文章展示了一种叫作 忆阻器(记忆电阻器的简称) 的新型二端电子器件存在的逻辑和科学基础,它完全可以像电阻,电容,电感那样,作为一个基本的元器件。
尽管 忆阻器 作为一种无需外部供电的物理实体器件仍然未被发现,但是在论文的第二部分,将会展示它在实验室里的一个有源电路实现形式。
忆阻器具有许多有趣的性能,其中最重要的应该要算是其物理实体器件存在性的基本电路性能——也就是它的无源性,这些将会在论文第三部分做一个扩展。
在第四部分,我们将会利用麦克斯韦方程的准静态延伸式对 忆阻器 在电磁场里的性能作一番解释。
最后,在第五部分,将会展示忆阻器的一些新颖的应用。
第二部分 忆阻器——第四器件
首先说明了为什么会从理论上预测忆阻器的原因:
电磁学具有四个基本量:电荷q,电压u,电流i,磁链(磁通) 。任意取其中两个量可以定义六个关系式,其中五个已经为我们熟知,分别是:
电流的定义:
电压的定义:
另外三个分别定义了电路中常见的三种无源器件R,L,C,分别:
电阻 R 由电压和电流的比值定义;
电容 C 由电压和电荷的比值定义;
电感 L 由磁通和电流的比值定义。
唯独还漏了一组关系式,那就是 磁通 和 电荷q 。作者认为,毫无疑问地,有必要从这个比值出发定义一个假设的第四器件。而这也就是本文论述的 忆阻器,这么命名是因为从下文我们可以看到,它看起来多少像一个带记忆的非线性电阻。
然后,作者给出了三种转换器,分别是M-R,M-L,M-C转换器,再分别接上一个对应的非线性电阻,电容,电感,则可以把相应的 -q特征曲线转换成相应的u-i特征曲线(对于M-R的非线性电阻,对M-L,M-C则是相应的 -i曲线,q-v曲线)。
接着论文给出了一张表,分别列举了以上三种转换器的两种受控源电路模型,借由这些模拟电路,只要针对特定的 -q特征曲线,选择具有相应u-i特征曲线的非线性电阻(这里以M-R为例,事实上,本文也是以它为例展开的,作者只做了M-R的模拟电路。),就可以很轻易地实现忆阻器的模拟。所以,文章还附上了一幅具体的M-R转换器的电路。(图Fig.2)
为了验证该转换电路真的可以实现忆阻器的功能,需要做一个示踪器来检验。(附图Fig.3也在文章中。)
图Fig.4的三组图(对应不同的 -q特征曲线),很好地说明了该转换电路的确可以实现忆阻器的功能模拟。
特别地,如图Fig.5所示,,我们给一个很简单的忆阻器电路(该电路为Fig.5(a)所示),加上一个交流电压源(本例中,分别给以63Hz的正弦波源或者三角波源)。对于三组不同的,但都很平滑的 -q特征曲线,但我们仍然可以观察到忆阻器两端的电压和电流波形显得“相当地特殊”。
作者认为“对此我们不该感到奇怪,我们由此会发现 忆阻器 具有其他三种RLC元件所无法具备的功能。事实上,正是这些特性让我们相信忆阻器将会在电路领域起到很重要的作用,特别是在模拟器件的领域和一些非常规波形发生器方面的应用,这些将会在第五部分展示。” |
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