|
Существуют вещества, в которых
движение зарядов почти невозможно. Такие вещества называются изоляторами. В
ряде веществ движение зарядов возможно, но происходит с большим трудом.
Такие вещества получили название полупроводников.
Значительное количество веществ относится к категории проводников,
характерных тем, что движущиеся заряды встречают в них минимальное
сопротивление. Однако даже лучшие проводники, такие, как серебро или медь,
все же оказывают движению зарядов определенное сопротивление, на преодоление
которого приходится затрачивать мощность.
Возможны ли случаи, когда движение зарядов происходит без
сопротивления, т. е. когда сопротивление электрическому току можно считать
равным нулю?
Мы знаем два таких случая.
Первый из них — движение зарядов в пустоте. Сопротивление
движению зарядов физически объясняется столкновениями или иными Ьидами
взаимодействия зарядов с частицами вещества. В пустоте, где вещество
отсутствует, естественно, отсутствует и его сопротивление движению зарядов.
Даже при таком разрежении, какое достигается в электронных лампах (см. стр.
51) и которому еще далеко до пустоты, сопротивление остатков газа столь мало,
что им практически можно пренебречь.
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 1 —10° абсолютной шкалы температур (нуль абсолютной шкалы
соответствует температуре минус 273,16°С).
Физические явления, связанные со сверхпроводимостью, еще
окончательно не выяснены, но бесспорными тщательными опытами, проведенными
акад. Капицей, подтверждено, что сопротивление материалов в сверхпроводящем
состоянии равно нулю или во всяком случае чрезвычайно близко к нему и что,
например, 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?
В радиотехнике приходится встречаться с понятием
отрицательного сопротивления, причем его нельзя считать достаточно- четким и
во всех случаях одинаково толкуемым.
В качестве одного из частых примеров отрицательного
сопротивления приводится известная особенность работы четырехэлектродной
лампы (тетрода) в динатрон-
ном режиме. Эта особенность заключается в том, что при
увеличении анодного напряжения анодный ток лампы не возрастает, как это
должно быть по закону Ома, а, наоборот, уменьшается. По принятому толкованию,
это противоречащее основному закону электротехники уменьшение тока при
увеличении напряжения, является признаком того, что действующее в цепи
сопротивление является отрицательным.
В действительности никакого «отрицательного» сопротивления
в подобной цепи нет. Физика динатронного эффекта заключается в том,
что электроны, образующие анодный ток, с силой ударяясь об анод, выбивают из
него другие электроны, называемые 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 напряжения на
экранирующей сетке превысит притягивающее действие напряжения на аноде.
Поэтому такие электроны летят к экранирующей сетке, образуют в лампе ток,
направленный навстречу нормальному 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 увеличивается — в итоге действующий анодный ток становится
меньше.
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. д.
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 равно положительному, действующее сопротивление
контура становится равным нулю.
При дальнейшем увеличении вносимого отрицательного
сопротивления общее сопротивление контура становится отрицательным. Контур с
отрицательным сопротивлением превращается в генератор и становится источником
колебаний.
По существу в этом случае нельзя говорить об отрицательном
сопротивлении контура, как о реальном явлении. Сопротивление контура движению
электрических зарядов остается неизменным при любом значении обратной связи.
Качающийся маятник, предоставленный самому себе, скоро
остановится. Но мы можем сообщать маятнику толчки, совпадающие по частоте и
направлению с его колебаниями. Интенсивность толчков можно подобрать так, что
они будут как раз компенсировать действие всех «сопротивлений» (сопро-
тивление воздуха, трение I
в точке подвеса и пр.), и колебания маятника из затухающих
превратятся в незатухающие. Увеличив еще более интенсивность толчков, мы
превратим колебания маятника в нарастающие и сможем заставить его совершать
какую-нибудь работу.
По аналогии с колебательным контуром в этом случае можно
было бы считать, что все сопротивления, тормозившие ранее движение маятника,
ста«щ отрицательными и не только не тормозят его, но, 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 (см. стр. 237). Генерирование таких
детекторов объясняют наличием в их характеристике участка с отрицательным
сопротивлением. При работе на этом участке характеристики увеличение текущего
через детектор тока сопровождается не увеличением падения напряжения на
детекторе, а его уменьшением.
Физические процессы, происходящие в детекторах подобного
типа, пока полностью не выяснены, но совершенно очевидно, что они вызывают в
кристалле детектора возникновение дополнительного тока, по направлению
совпадающего с основным. Этот дополнительный ток, проходя через соединенный с
детектором генератор, создает на его внутреннем сопротивлении дополнительное
падение напряжения. Поэтому общее падение напряжения на внутреннем
сопротивлении генератора возрастает, а так как мы не учитываем появления
дополнительного источника тока, мы воспринимаем увеличение падения напряжения
на внутреннем сопротивлении генератора, как уменьшение падения напряжения на
сопротивлении детектора.
Таким образом, сопротивление электрическому току может
либо иметь какое-то определенное положительное значение, либо равняться нулю.
Отрицательным оно никогда не бывает. 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 обычные источники электрического тока, энергия которых и
расходуется на поддержание всех происходящих в цепях процессов.
|