Может ли сопротивление быть отрицательным

Может ли сопротивление быть отрицательным

Что такое отрицательное сопротивление

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.

Что такое отрицательное сопротивление

Отрицательное сопротивление — это свойство некоторых элементов электрических цепей, при котором падение напряжения на них уменьшается при увеличении протекающего тока. Отрицательное сопротивление также называется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свойство проявляется на вольтамперной характеристике участка, где напряжение уменьшается при увеличении протекающего тока.

Отрицательное сопротивление может быть реализовано с помощью различных физических эффектов, таких как туннельный эффект, эффект Ганна, нелинейность полупроводниковых приборов и других. Отрицательное сопротивление может использоваться для создания генераторов, усилителей, переключателей, осцилляторов и других устройств.

Впервые услышав словосочетание «отрицательное сопротивление», можно пофантазировать и вообразить себе некий фантастический элемент электрической цепи, вроде проволочного резистора, который не препятствует прохождению тока, а наоборот — помогает ему течь. Однако такое понимание термина является превратным и весьма далеко от реальности.

На самом деле, когда речь заходит об отрицательном сопротивлении, имеется ввиду отрицательное дифференциальное сопротивление, то бишь динамическое, а вовсе не мифический постоянный резистор, волшебным образом усиливающий ток.

Если бы такое необычное явление и имело место быть, то это бы означало, что в цепь включен некий источник энергии, который уже точно не являлся бы резистором в каноническом понимании слова.

Мы же говорим именно об отрицательном дифференциальном сопротивлении — явлении вполне реальном. Таким образом, отрицательное сопротивление всего лишь указывает на наличие падающего участка на вольт-амперной характеристике элемента электрической цепи.

Давайте же рассмотрим примеры подобных, вполне реальных, нелинейных элементов.

Газоразрядная лампа в момент пуска

В процессе включения газоразрядной лампы через балласт, отчетливо проявляется ее особая нелинейная вольт-амперная характеристика.

В начале формирования тихого разряда (1) ток плавно, практически линейно увеличивается вместе с ростом напряжения от нуля до Uа.

Далее ток возрастает, но падение напряжения на самой лампе снижается — это первый участок, на котором проявляется отрицательное дифференциальное сопротивление (участок 2-3), здесь лампа находится в состоянии нормального тлеющего разряда.

(4) — в лампе происходит лавинообразная ионизация и можно наблюдать аномальный тлеющий разряд, когда напряжение на лампе возрастает до Uв, одновременно возрастает и ток.

(5) — напряжение на лампе снижается до номинальной величины Uл, лампа переходит в стабильное состояние дугового разряда, при этом ток увеличивается до номинального значения Iл — снова мы наблюдаем на ВАХ участок отрицательного дифференциального (динамического) сопротивления, когда напряжение между выводами падало, а ток при этом рос.

Туннельный диод

Тогда как в обычных диодах с ростом приложенного в прямом направлении напряжения, увеличивается и проходящий через диод ток, в туннельном диоде квантовомеханическое явление туннелирования электронов создает на его вольт-амперной характеристике область отрицательного дифференциального сопротивления, то есть такую область, на которой во время увеличения прямого напряжения на диоде, ток через него спадает.

Данная особенность обусловлена тем, что для определенного диапазона прикладываемых к диоду напряжений, электроны в одном из его регионов активно туннелируют, внося вклад в общий ток диода, а за пределами этого диапазона напряжений туннелирования уже не происходит.

Данная особенность туннельного диода используется в технике для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Диод Ганна представляет собой полупроводниковый прибор из арсенида галлия, в активную часть которого внедрен высокоомный слой с пониженной концентраций легирующих донорных примесей.

Суть образования зоны отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ диода Ганна заключается в следующем.

Рассмотрим образец полупроводника, к выводам которого приложено некоторое напряжение. В однородном полупроводнике электрическое поле имеет одинаковую напряженность по всему образцу.

Но если в образце имеется локальная неоднородность с пониженной проводимостью, то напряженность поля в этом месте будет выше, а значит при увеличении напряженности внешнего поля критическое значение напряженности будет достигнуто прежде всего в этом сечении.

Произойдет накопление в этой области образца тяжелых электронов и снижение их подвижности, а значит — повышение сопротивления в данной области. Как результат, с ростом напряжения будет снижаться ток диода.

Тетрод в режиме динатронного эффекта

Четырехэлектродная радиолампа имеет следующую особенность. Когда напряжение на аноде (положительном электроде лампы) приближено к напряжению на ее экранирующей сетке, (электроду, расположенному перед анодом) может случиться необычное явление.

При определенном напряжении на аноде, электроны, летящие к нему от катода, ударяются об анод с такой силой, что выбивают из него электроны, (вторичная электронная эмиссия) скоростей которых достаточно чтобы долететь в обратном направлении до экранирующей сетки и быть притянутыми к ней. Ток экранирующей сетки, благодаря вкладу, вносимому этими вторичными электронами, в итоге возрастает.

В результате, из-за данного эффекта ток анода уменьшается. На определенном участке ВАХ это выглядит так, что с увеличением анодного напряжения уменьшается анодный ток. Вот и получается отрицательное сопротивление в цепи анода. В реальности — отрицательное дифференциальное сопротивление, обусловленное динатронным эффектом.

Транзистор или лампа с цепью обратной связи в регенеративном приемнике

В так называемом регенеративном приемнике добротность колебательного контура повышается путем компенсации части потерь за счет энергии усилителя, благодаря введению положительной обратной связи. Можно сказать, что обратная связь вносит в колебательный контур отрицательное сопротивление, уменьшая положительное сопротивление потерь.

Другие полезные статьи по электротехнике:

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

сопротивление может быть отрицательным?

сопротивление отрицательным не бывает!
даже сверхпроводник имеет сопротивление >=0
иначе это уже не сопротивление
А при измерении сопротивления на усилителях и источниках тока данные приборов искажаются из-за наличия напряжения.. . (собственной ЭДС)

Отрицательное сопротивление — это содействие, помощь

Бывает. У нагрузки с нелинейной немонотонной нагрузочной кривой. Только — отрицательное дифференциальное сопротивление Rd, т. е. в этой точке производная от напряжения на нагрузке по току
Rd = dU / dI

Конкретный пример — газоразрядная трубка при малых токах. Напряжение на трубке с ростом тока падает — отрицательное дифференциальное сопротивление.

сопротивление может быть отрицательным?
какое сопротивление? электрическое?
да! у нек-рых элементов эл. сопротивление отрицательный (отрицательное дифференциалное сопротивление-туннельный диод, Ганна диод и др.) .

Эффект «отрицательного сопротивления» в DC-DC преобразователях

Если DC/DC преобразователь не работает, и при этом отсутствуют очевидные дефекты устройства, то проблема вполне может заключаться в появлении отрицательного дифференциального сопротивления. Решение данной ситуации требует анализа и согласованности работы всей цепочки «источник питания – DC-конвертер – потребитель».

Эксперт — Сергей Пустовой

Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

Время чтения: 9 минут

• Теория возникновения эффекта
• Что такое ОДС?
• Автоколебания
• Генерация колебаний
• Гашение колебаний

Довольно частая и вполне ожидаемая обыденная ситуация, когда, приобретая преобразователь постоянного тока (ППТ) оказывается, что он прекрасно работает. Это естественно, и является привычной нормой. К сожалению, также нередко можно столкнуться с тем, что преобразователь не работает должным образом. В таком случае приходится искать причину неисправности и соответствующее ей решение.

Вполне вероятно, что решение может быть невероятно простым: устройство не подключено к сети, у него не включена подача электропитания или же просто перегорел входной предохранитель. В такой ситуации большинство распространённых проблем достаточно легко обнаружить и устранить.

При использовании импульсных источников питания (ИП), с постоянным током (DC) на входе, дело обстоит несколько сложнее. Всё подключение выполнено правильно, основные дефекты обнаружены, устранены или отсутствовали изначально. Однако преобразователь по-прежнему не выдаёт нужного уровня электрического потенциала на выходе.

В подобных случаях проблема может крыться во взаимодействии ППТ с источником электропитания. При наличии определённой величины импеданса выходная электродвижущая сила (ЭДС) DC-конвертера будет иметь значительную переменную составляющую. При этом на входе в ППТ также будет иметься заметная переменная составляющая.

Теория проявления эффекта

Для понимания принципа возникновения эффекта отрицательного сопротивления вначале рассмотрим потребителя, подключённого к выходу DC конвертера, и характеризующегося собственным не изменяющимся импедансом. Если импеданс нагрузки постоянен, то подводимая к ней мощность, также не изменяется, поскольку выходное напряжение DC-преобразователя также будет неизменно. Это также означает постоянство потребления энергии DC/DC конвертером.

В результате мы имеем неизменную выходную мощность для потребителя, а также стабильное потребление энергии DC-конвертером, независимо от приложенного к нему потенциала. Также это означает стабильную эффективность преобразователя. Ситуация, когда нагрузка остаётся неизменной, даже при значительных колебаниях напряжения – очень любопытна.

Может ли быть сопротивление отрицательным? На самом деле – да, но с определёнными оговорками. С положительным значением этого параметра мы знакомы и вполне можем его представить. Его наличие в цепи, согласно закону Ома, приводит к возникновению электротока определённой величины. В таком случае возможно ли появление отрицательного значения тока? Давайте во всём этом разбираться.

В классическом понимании законов электротехники все параметры электроцепи связаны. Рост приложенного напряжения ведёт к росту электротока, а снижение напряжения, – соответственно, к уменьшению электрического тока.

Однако использование нагрузки с постоянным импедансом приводит к другому результату.

Так, при увеличении входного напряжения, подаваемого на DC-DC-преобразователь, входной электроток, наоборот, будет снижаться, а при уменьшении ЭДС на его входе – увеличиваться. Связано это с тем, что при динамическом изменении параметров на входе учитываются дифференциальные значения электротока и напряжения. А из-за особенности нагрузки, их значения изменяются в противоположных направлениях, друг относительно друга.

Что такое дифференциальное сопротивление?

В неустойчивых системах, когда, в целях стабилизации параметры питания устройства непрерывно корректируются и изменяются, оперируют бесконечно малыми приращениями, их ещё называют – дифференциальными величинами.

Опираясь на математическое решение, не может появиться никакой отрицательный ток в цепи. Получение же отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) обусловлено особенностью ППТ, которая проявляется в уменьшении одного из учитываемых в расчёте параметров, на фоне роста другого.

Автоколебания

Вначале разберёмся с поведением классической цепи, состоящей из конденсатора (C) и индуктивности (L).

Если в LC-цепь подать электроэнергию, то она будет поочерёдно переходить от одного электронного компонента к другому. При этом в зависимости от типа элемента, энергия будет периодически изменять свой вид. Вначале она будет находиться в виде электрического поля, накапливаемого в конденсаторе, а затем преобразовываться в магнитное поле катушки индуктивности, затем обратно в электрическое поле. Этот процесс сопровождается появлением на каждом из элементов, синусоидального напряжения, и такого же синусоидального электротока, протекающего между ними. Такая система соответствует поведению автоколебательного контура и теоретически может функционировать бесконечно.

В реальных электроцепях, помимо ёмкости и индуктивности, присутствует паразитная резистивность. Она обусловлена особенностями самих элементов, а также наличием в соединяющих их проводах собственной активной составляющей. Этот паразитный резистор непрерывно рассеивает циркулирующую между электронными компонентами энергию, что ведёт к постепенному ослаблению и последующему прекращению колебаний.

Влияние ОДС на генерацию автоколебаний

Если в RLC-цепь добавить ОДС, то оно вполне может нивелировать положительную составляющую. В этом случае образуется электроцепь с нулевой эквивалентной резистивностью. При этом затухания генерируемых автоколебаний не произойдёт. Источником ОДС в нашем примере выступает DC-конвертер. Его присутствие в цепи с ёмкостью и индуктивностью компенсирует паразитные составляющие элементов.

Источником ёмкости и индуктивности любой цепи могут быть как физические электронные компоненты, преднамеренно размещённые на плате, так и генерируемые паразитно. Они могут синтезироваться благодаря выходному импедансу источника питания, а также входным импедансом конвертера постоянного электротока.

Это ведёт к тому, что синтезируемое ОДС, а также другие реактивные составляющие будут иметь переменные параметры, которые сильно завесят от режима и условий работы всей системы.

Поэтому одна из основных проблем подобных электроцепей заключается в том, что трудно с достаточной точностью смоделировать всю систему, чтобы оценить, при каких условиях её работы возникнут эффективные автоколебания. Другая сложность в этой ситуации – это, что колебания могут возникать только при определённых условиях работы всей системы, а при отклонении от них автоколебания будут исчезать.

Гашение автоколебаний

Предсказать условия работы, способствующие возникновению автоколебаний, достаточно непросто. Однако если существует необходимость их погасить, то сделать это сравнительно легко. Добиться этого можно включением добавочного резистора между выходом ИП и конвертером. Чаще всего рассматривают два варианта добавления размещения резистора:

• Последовательное включение резистивного элемента;
• Включение резистивного элемента параллельно.

К сожалению, выбор любого из этих методов приведёт к тому, что рассеиваемая этим компонентом мощность, окажется слишком большой, чтобы быть приемлемой. Поэтому чаще всего прибегают к третьему методу, которое, заключается в том, чтобы включить дополнительный компонент, предназначенный для работы в электроцепи переменного тока (AC).

Преимущество такого метода заключается в том, что добавочный электронный компонент воздействует только на переменные сигналы. При этом никакого влияния на постоянную составляющую он не оказывает, как и на интенсивность потребления. Одним из способов реализации третьего метода считается размещение электролитического конденсатора с большой ёмкостью (от десятков до сотен микрофарад, в зависимости от уровня передаваемой мощности). При этом он должен располагаться как можно ближе к контактам DC конвертера.

Эквивалентное последовательное сопротивление (от англ. Equivalent Series Resistance – ESR) конденсатора, подключённого в переменную электроцепь, как раз и служит для рассеивания энергии различных осцилляций. Его величины вполне достаточно для предотвращения образования большинства паразитных осцилляций, при этом он не рассеивает энергию, связанную с прохождением постоянной составляющей.

ESR размещаемой ёмкости должен быть достаточно небольшим, чтобы не существенно влиять на величину рассеиваемой избыточной мощности. При этом он должен быть достаточным, чтобы эффективно гасить автогенерируемые колебания.

Наибольшее распространение получили электролитические конденсаторы. Они имеют необходимую величину ESR для использования в наших целях. При этом следует учитывать, что их низкая цена – это не тот показатель, на который нужно опираться в первую очередь. Зачастую их невысокая стоимость – это показатель слишком высокого ESR, а это чревато чрезмерным рассеиванием мощности. Также нужно помнить, что слишком дорогие электролитические, плёночные и керамические конденсаторы могут обладать слишком низким значением ESR, чтобы должным образом гасить осцилляции.

В некоторых случаях стабильная работа связки «источник питания – потребитель» может быть нарушена по причине возникновения явления самовозбуждения или автоколебательного процесса. Некорректная величина результирующего импеданса, обусловленная появлением на входе отрицательного дифференциального сопротивления, снижающим устойчивость работы всей системы.

В данной статье мы подробно рассмотрели причины возникновения ОДС, а также практические способы, позволяющие снизить образование автоколебательных импульсов.