Что такое отрицательное сопротивление

Статьи

 

Под словом «сопротивление» в электротехнике и радиотехнике понимается сопротивление, оказываемое движению электрических зарядов той средой, в которой это движение происходит.

Существуют вещества, в которых движение зарядов почти невозможно. Такие вещества называются изоляторами. В ряде веществ движение зарядов весьма затруднено. Такие вещества получили название полупроводников. Значительное количество веществ относится к категории проводников. Они характерны тем, что движущиеся заряды встречают в них минимальное сопротивление. Однако даже самые лучшие проводники, такие, как серебро или медь, все же оказывают движению зарядов определенное сопротивление, на преодоление которого приходится расходовать энергию.

 

Возможны ли случаи, когда движение зарядов происходит без сопротивления?

Мы знаем два таких случая.

Первый из них — движение зарядов в таком пространстве, которое мы условно называем пустотой (см.

стр. 18). Если в подобное пространство, например в баллон, из которого выкачан газ и в котором нет электрического и магнитного полей, ввести заряд (например, способом термоэмиссии) и сообщить ему некоторую скорость, то он будет двигаться с этой скоростью, не затрачивая запасенной энергии.

Второй случай отсутствия сопротивления наблюдается у некоторых металлов в сверхпроводящем состоянии. Установлено, что ряд металлов, их сплавов и некоторых химических соединений при сильном охлаждении утрачивает сопротивление электрическому току, становится «сверхпроводником». К ним относятся, например, алюминий, свинец, цинк, уран, ртуть. Температуры, при которых наблюдается переход в сверхпроводящее состояние, колеблются в пределах примерно от 1 до 10 градусов абсолютной шкалы температур (нуль абсолютной шкалы соответствует температуре минус 273,16°С).

Физические явления, связанные со сверхпроводимостью, еще окончательно не выяснены. Они зависят от особенностей кристаллической структуры проводников и уменьшения тепловых колебаний при понижении температуры, но бесспорными тщательными опытами подтверждено, что сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии равно нулю или во всяком случае чрезвычайно близко к нему. Ток, возбужденный в кольце из сверхпроводника, не уменьшается и циркулирует все время, пока поддерживается нужная температура.

Возможно ли сопротивление меньше нуля, т. е. сопротивление отрицательное? Попробуем рассмотреть этот вопрос с чисто физической точки зрения, не вдаваясь в его формально-теоретические математические аспекты.

В радиотехнике приходится встречаться с понятием отрицательного сопротивления.

Отрицательным сопротивлением объясняют известную особенность работы четырехэлектродной лампы (тетрода) в динатронном режиме. Эта особенность заключается в том, что при напряжениях на аноде, близких к напряжению на экранирующей сетке, увеличение анодного напряжения вызывает не рост анодного тока лампы, а, наоборот, его уменьшение. По принятому толкованию действующее в цепи сопротивление является отрицательным.

В действительности это объясняется динатронным эффектом. Электроны, образующие анодный ток, ударяясь об анод, выбивают из него другие электроны, которые называются вторичными.

Вторичные электроны, получив в результате удара некоторый запас энергии, отлетают от анода по направлению к экранирующей сетке и могут настолько приблизиться к ней, что притягивающее действие экранирующей сетки превысит притягивающее действие анода.

Поэтому такие электроны летят к экранирующей сетке, образуют в лампе ток, направленный навстречу основнову анодному току, и уменьшают его. Действующий анодный ток равен разности двух указанных токов.

При увеличении анодного напряжения электроны с большей силой ударяются об анод и выбивают из него больше вторичных электронов, вылетающих с увеличенной скоростью. Поток вторичных электронов непропорционально возрастает — в итоге действующий анодный ток становится меньше.

При дальнейшем увеличении анодного напряжения явление прекращается, потому что выбитые из анода электроны снова притягиваются к нему и экранирующая сетка уже не может «перехватить» их.

Как видим, в данном случае нельзя усмотреть присутствия какого-либо сопротивления, обладающего необычным свойством.

Суть явления заключается в возникновении второго потока электронов, направление которого противоположно направлению основного потока.

Не менее часто понятие отрицательного сопротивления используется для объяснения работы регенеративных приемников, гетеродинов и т. п.

Это объяснение сводится к тому, что обратная связь вносит в колебательный контур отрицательное сопротивление и этим уменьшает его положительное сопротивление — сопротивление потерь. Когда отрицательное сопротивление по величине становится равным положительному, действующее сопротивление контура делается равным нулю. При дальнейшем возрастании вносимого отрицательного сопротивления общее сопротивление контура становится отрицательным. Контур с отрицательным сопротивлением превращается в генератор и становится источником колебаний.

В этом случае тоже нельзя говорить об отрицательном сопротивлении контура, как о реально существующем. Сопротивление контура движению электрических зарядов остается неизменным при любом значении обратной связи.

Качающийся маятник, предоставленный самому себе, скоро остановится. Но мы можем сообщить маятнику толчки, совпадающие по частоте и направлению с его

колебаниями. Интенсивность толчков можно подобрать так, что они будут как раз компенсировать действие всех «сопротивлений» (сопротивление воздуха, трение в точке подвеса и т. д.), и колебания маятника из затухающих превратятся в незатухающие. Увеличив еще более силу толчков, мы превратим колебания маятника в

нарастающие (их амплитуда будет увеличиваться) и сможем заставить его совершать какую-нибудь работу. Та дополнительная энергия подталкивания, которая расходовалась бы на увеличение амплитуды колебаний маятника, будет теперь расходоваться на совершение работы, а амплитуда колебаний останется постоянной.

По аналогии с колебательным контуром и в этом случае можно было бы считать, что все сопротивления, тормозившие ранее движение маятника, стали отрицательными и не только не тормозят его, а, наоборот, подгоняют.

Однако мы знаем, что это не так: маятник, совершая работу, продолжает качаться только потому, что мы периодически пополняем своими толчками запас его энергии.

Подобным же образом пополняются потери энергии и в колебательном контуре. Поле катушки обратной связи, изменяясь в такт с электрическими колебаниями в контуре, поддерживает их, пополняя энергию, которая затрачивается на преодоление сопротивлений контура и излучение.

Понятие отрицательного сопротивления нередко привлекается для пояснения особенностей работы «генерирующих» кристаллических детекторов, к которым относится ряд детекторов от цинкитного детектора О. Лосева до современного германиевого диода, включая новейшие «туннельные» диоды. Генерирование таких детекторов объясняют наличием в их характеристике участка с отрицательным сопротивлением. При работе на таком участке характеристики увеличение текущего через детектор тока сопровождается не увеличением падения напряжения на детекторе, а его уменьшением.

Физические процессы, происходящие в детекторах подобного типа, полностью не прослежены, но ясно, что они вызывают в кристалле детектора (диода) возникновение дополнительного тока, по направлению совпадающего с основным.

Например, в «туннельном» диоде при некоторых напряжениях ток растет значительно быстрее, чем в обычном диоде, из-за «туннельного» эффекта — прохода электронов, не имеющих энергии для преодоления потенциального барьера, сквозь некоторые «туннели» в этом барьере. При дальнейшем увеличении напряжения «туннельный» эффект уменьшается и затем исчезает совсем. На этом участке увеличение напряжения вследствие постепенного исчезновения «туннельного» эффекта сопровождается уменьшением тока, а не его увеличением, как следовало бы. При более значительном увеличении напряжения работа «туннельного» диода не отличается от работы обычного диода. Поэтому на некотором участке его характеристики наблюдается уменьшение тока при увеличении напряжения.

Таким образом, сопротивление электрическому току может либо иметь какое-то определенное положительное значение, либо равняться нулю. Отрицательного сопротивления как физического свойства вещества не существует, хотя отдельные цепи в результате происходящих в них процессов могут вести себя так, как если бы их сопротивление было отрицательным. Однако при этом в таких цепях обязательно находятся источники электрического тока, энергия которых и расходуется на поддержание всех происходящих в цепях процессов.

Смотрите также: Преобразователь отрицательного сопротивления

 

Отрицательное сопротивление | это… Что такое Отрицательное сопротивление?

ТолкованиеПеревод

Отрицательное сопротивление

Отрица́тельное дифференциа́льное сопротивле́ние — свойство отдельных элементов или узлов электрических цепей, проявляющееся в возникновении на вольтамперной характеристике участка, где напряжение V уменьшается при увеличении протекающего тока I (dV/dl = R < 0). C точки зрения радиотехники такие элементы являются активными, позволяющими трансформировать энергию источника питания в незатухающие колебания. Такие элементы можно также использовать в схемах переключения.

Зависимость V от I в нелинейном элементе с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть N-типа и S-типа.

В общем случае отрицательное внутреннее сопротивление является функцией напряжения (тока) и частоты ω, то есть понятие отрицательного дифференциального сопротивления сохраняет смысл для соответствующих Фурье-компонент:

R(ω) = dV(ω) / dl(ω).

Понятие отрицательного дифференциального сопротивления используют при рассмотрении устойчивости различных радиотехнических цепей. Такое сопротивление может компенсировать некоторую часть потерь в электрической цепи, если его абсолютная величина меньше активного сопротивления; в противоположном случае состояние становится неустойчивым, возможен переход в другое состояние устойчивого равновесия (переключение) или возникновение колебаний (генерация). В однородном образце полупроводника в области существования отрицательного дифференциального сопротивления неустойчивость может приводить к разбиению образца на участки сильного и слабого поля (доменная неустойчивость) для характеристики N-типа или шнурованию тока по сечению образца для характеристики S-типа.

Элемент цепи с отрицательным сопротивлением называют негатроном^[1]. Эти элементы могут иметь различную физическую реализацию.

Примеры элементов с отрицательным внутренним сопротивлением

• Электронно-дырочный переход в вырожденных полупроводниках (туннельный диод) имеет вольтамперную характеристику N-типа. Включение его в цепь приводит к возникновению в цепи неустойчивости и генерации колебаний. Амплитуда и частотный спектр колебаний определяются параметрами внешней цепи и нелинейностью вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Наличие такого участка, позволяет использовать туннельный диод в качестве быстродействующего переключателя.

• Полупроводники типа GaAs или InP в сильных электрических полях позволяют реализовать характеристику N-типа в объёме материала за счёт зависимости подвижности электронов от напряжённости электрического поля (эффект Ганна). В сильном электрическом поле образец становится неустойчивым, переходит в резко неоднородное состояние — разбивается на области (домены) слабого и сильного поля. Рождение домена (на катоде), его движение по образцу и исчезновение (на аноде) сопровождаются колебаниями тока во внешней цепи, частота которых в простейшем случае определяется длиной образца L и скоростью v дрейфа электронов в поле (ω ~ v/L) и может достигать ~ 100 ГГц.

• В транзисторных и ламповых генераторах электромагнитных колебаний транзистор (лампа) вместе с цепью положительной обратной связи (и источником питания) играет роль отрицательного дифференциального сопротивления, соединённого последовательно с сопротивлением контура, что эквивалентно поступлению энергии в контур. Если абсолютная величина действующего отрицательного внутреннего сопротивления превышает активные потери, происходит самовозбуждение генератора, стационарные колебания соответствуют состоянию, когда активные потери полностью компенсируются за счёт отрицательного внутреннего сопротивления.

См. также

• Внутреннее сопротивление
• Полупроводники

Литература

1. ↑ Биберман Л. И. Широкодиапазонные генераторы на негатронах. – М.: Радио и связь, 1982. – 89 с.

• Бонч-Бруевич А. М. Радиоэлектроника в экспериментальной физике.
• Бонч-Брусевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.
• Филинюк Н. Негатроника. Исторический обзор

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Нужно сделать НИР?

• Отрицательно полуопределённая матрица
• Отрицательные формы рельефа

Полезное

резисторов — Возможно ли отрицательное сопротивление?

спросил 3 года, 2 месяца назад

Изменено 1 год, 9 месяцев назад

Просмотрено 4к раз

\$\начало группы\$

Я читал книгу Hayt Kemmerly Engineering Circuit Analysis, (пробовал другие, но эта мне наиболее понятна), и наткнулся на эту схему. Первые два я понимаю, но не понимаю, как в 3-й схеме (в) через резистор \$R_3\$ есть отрицательное напряжение, а ток через него от \$+\$ до \$- \$ положительно \$7A\$. Я не понимаю, как резисторы могут подавать напряжение. Я предполагаю, что это всего лишь математическая модель, а не реальная.

Редактировать: Ответы в этой книге перемешаны. Редактировать 2: Похоже, что эта книга не является общественным достоянием, как я изначально думал. Однако я не удаляю это изображение, потому что оно подпадает под добросовестное использование.

• резисторы
• отрицательное сопротивление

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

В пассивном устройстве отрицательное абсолютное сопротивление не может существовать. Тем не менее, минус дифференциальное сопротивление , где увеличение напряжения приводит к уменьшению тока или наоборот, наблюдается в ряде достаточно распространенных систем, таких как неоновые вывески и люминесцентное освещение, а также некоторых более эзотерических типа туннельных диодов. Ниже приведен рисунок, показывающий кривую ВАХ для обычного электрического разряда; обратите внимание на область между точками D и G, где напряжение уменьшается по мере увеличения тока. Это область, в которой обычно работают как флуоресцентное освещение, так и неоновые вывески.

( источник изображения )

Отрицательное абсолютное сопротивление может существовать в ограниченных диапазонах при использовании активных элементов. Существует схема операционного усилителя, обычно называемая преобразователем отрицательного импеданса, которая имитирует отрицательное сопротивление, емкость или индуктивность с помощью операционного усилителя и обратной связи: эквивалентно, при условии, что операционный усилитель не насыщается.

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Приношу извинения всем, исходное решение было неправильным, я поменял направление токов через R2 и R3.

Решение теперь отредактировано.

---

Если мы измерим все напряжения относительно общего соединения резистора 2 Ом, R2, источника тока 8 А и резистора 3 Ом, то:

1. Суммируя токи в узле вверху справа, получим 37 В источник напряжения, подающий ток 7А. (15-8)
2. На — конце источника 37 В через резистор 2 Ом протекает ток 6 А, поэтому ток через R2 составляет 1 А, что составляет 7 А.
3. Верхний конец резистора 2 Ом находится на уровне -12 В (2 Ом X 6 А). и, следовательно, R2 = 12 Ом (12В/1А).
4. Верхний правый узел находится на уровне 45 В, так как через резистор 3 Ом протекает ток 15 А.
5. Другой конец R3 (+ конец источника напряжения) находится на 37-12 = +25 В (напряжение на R2 и резисторе 2 Ом {-12 В} + источник 37 В)
6. Напряжение на R3, Vs = 20В (45-25).
7. -7A протекает через R3 и, следовательно, R3 = -20/7 Ом, или приблизительно -2,86 Ом.

Чем больше я на это смотрю, тем больше мне кажется, что «-» перед 4 и 20 в ответах — это просто тире (дефис), а не знак минус.

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Чтобы получить значения тока и напряжения, которые были показаны в книге.
Вам действительно нужно отрицательное сопротивление в цепи. R3 должен иметь отрицательное сопротивление \$R_3 = — \frac{20V}{7A} = -2,857\Omega\$

Потому что для положительного сопротивления мы получаем следующий результат:

Как видите, результат даже близко не к книжному решению.

Но если вместо этого использовать «реальное» отрицательное сопротивление (преобразователь отрицательного сопротивления).

Результат моделирования будет соответствовать книжному решению:

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Это не ответит на вопрос, но покажет, как вы обнаружите, что R3 должен иметь отрицательное сопротивление.

Вот принципиальная схема с парой пояснений:

Во-первых, из закона Ома мы знаем, что напряжение на резисторе 2 Ом составляет 12 В, а напряжение на резисторе 3 Ом равно 45 В.

Если пройти КВЛ по петле, указанной оранжевой стрелкой, то получится

$$ -45\ В + (-12\ В) + 37\ В — v_x = 0$$

Это дает \$v_x = -20\ В\$.

Определив \$I_x\$ как ток через R3 (текущий слева направо в соответствии с соглашением о пассивном знаке) и используя KCL в узле «A», вы получите

$$ I_x + 8\ A — 15\ A = 0$$

Отсюда \$I_x =7\ A\$.

Теперь у вас есть

$$R_3 = \frac{v_x}{I_x} = \frac{-20\ V}{7\ A} = -2,86\ {\rm \Omega}$$

Это не так имеет значение, если вы измените направление \$v_x\$. Если вы сделаете это (а также измените направление \$I_x\$, чтобы сохранить соглашение о пассивном токе), вы просто получите \$v_x=+20\V\$ и \$I_x=-7\A\$.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Омическое отрицательное сопротивление не существует. Однако отрицательное сопротивление есть. Зенеровские диоды при напряжениях пробоя имеют отрицательное сопротивление, поскольку они создают ток путем квантового туннелирования.

\$\конечная группа\$

4

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Может ли сопротивление быть отрицательным?

\$\начало группы\$

Мне нужно рассчитать номинал резистора, чтобы моя схема имела определенное эквивалентное сопротивление. Это схема, а вот значения:

 Ig = 5 мА, R1 = 2 кОм и R2 = 1 кОм. R3 неизвестен.
 

Итак, я хочу знать значение R3 для эквивалентного сопротивления 5 кОм. Что ж, сначала я вычисляю сопротивление R1+R3, а затем добавляю R2, то есть R13+R2:

Итак, я заменяю это значениями:

Но если я разрешаю это, я всегда получаю значение -4 кОм. Так что происходит? Я делаю что-то не так? или сопротивление может быть отрицательным, как это?

• сопротивление
• отрицательный

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Обратите внимание, что у вас есть источник тока, а не источник напряжения. В этом случае при использовании Thevenin вы должны заменить источник тока на разомкнутую цепь, чтобы найти эквивалентное сопротивление (в отличие от замены на короткое замыкание, если у вас есть источник напряжения). Следовательно, эквивалентное сопротивление не будет R1//R3 + R2, как вы предполагали. На самом деле решение намного проще (я дам вам его закончить).

Предположим, вы все сделали правильно и получили отрицательное сопротивление. Это просто скажет вам, что решения проблемы нет (чего здесь нет).

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Просто отвечая на вопрос (заголовок) — без привязки к представленной схеме:

Да конечно сопротивление может быть отрицательным!!

• ВАХ туннельного диода (диода Эсаки) показывает в определенном диапазоне отрицательное динамическое (дифференциальное) сопротивление (следовательно, не статическое отрицательное сопротивление)

• Имеются специальные активные цепи (NIC — преобразователь отрицательного импеданса), которые имеют отрицательное (односторонне заземленное) входное сопротивление (статическое и дифференциальное)

• Обе части/схемы используются, например, в цепях генератора для устранения затухания (компенсация классических положительных омических сопротивлений).