Was ist die physikalische Bedeutung von negativem Widerstand?

Ich bin etwas verwirrt über die physikalische Bedeutung des negativen Widerstands.

Mathematisch gesehen zeigt eine Komponente mit negativem Widerstand eine abnehmende Spannung an ihrem Anschluss, wenn der Strom in ihr wächst, und umgekehrt. Aber wie ist das physikalisch möglich?

Irgendwo habe ich gelesen, dass ein Beispiel für eine Komponente mit negativem Widerstand eine Spannungsquelle ist. Diese Aussage verstehe ich aber nicht, da eine Spannungsquelle eine Komponente ist, die höchstens einen (positiven) Innenwiderstand aufweist.

Es gibt eine Reihe von Mechanismen, die zu einem Bereich führen, in dem eine lokal ansteigende Spannung zu einem lokal abnehmenden Strom führt. Zum Beispiel eine Esaki (Tunnel) -Diode .

Ein häufiges Beispiel wäre ein Schaltnetzteil mit konstanter Last. Unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad mehr oder weniger konstant ist, führt eine Erhöhung der Eingangsspannung dazu, dass weniger Strom gezogen wird. Es verbraucht jedoch immer Energie.

Eine eigenständige Komponente, die einen negativen Widerstand (anstelle eines negativen Differenzwiderstands) aufweist, ist ohne irgendeine Energiequelle innerhalb der Komponente nicht möglich, da sie sonst die Energieerhaltung ( ) verletzen und ein negatives P anzeigen würde es wirkt als Stromquelle.$P = E^2/R$

Wenn Sie mit einem negativen Widerstandseffekt spielen möchten, besteht eine Möglichkeit (vorausgesetzt, es macht Ihnen nichts aus, dass ein Ende geerdet ist) darin, einen negativen Impedanzwandler zu verwenden :

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Die obige Schaltung wirkt wie ein -10K-Widerstand mit einem geerdeten Ende (innerhalb seines linearen Bereichs) und arbeitet bis zu etwa null Volt. Jeder Strom, den es erzeugt, kommt von den Operationsverstärkerversorgungen.

In diesem Zusammenhang müssen wir zwischen (1) rein differenziellem (dynamischem) neg unterscheiden. Widerstände (wie in den Beispielen der anderen Antworten gezeigt) und (b) ein statischer negativer Widerstand.

Für ein Differential neg. Widerstand (rdiff) die aktuellen ÄNDERUNGEN sind negativ, für ein statisches neg. Widerstand der STROM selbst hat ein negatives Vorzeichen.

Meine folgende Antwort betrifft nur den statischen negativen Widerstand:

Ein solches Element "verbraucht" keinen Strom - angetrieben von einer Spannungsquelle, sondern treibt - umgekehrt - einen Strom (proportional zur Spannung) in entgegengesetzter Richtung in die Spannungsquelle.

Daher. Es ist eine spannungsgesteuerte Stromquelle . Für solche Schaltungen sind nur aktive Realisierungen möglich (unter Verwendung von Transistoren oder - in den meisten Fällen - Operationsverstärkern). Die beliebteste Schaltung ist der NIC (Negative-Impedance Converter) .

Hier ist ein "Typ-A" -NIC-Block dargestellt. Der geerdete Widerstand (Impedanz) R3 wird in einen negativen Widerstand (Impedanz) mit einem Umrechnungsfaktor (-R1 / R2) umgewandelt. Dieser Typ ist kurzschlussstabil. (Eine stabile NIC mit offenem Stromkreis ergibt sich für vertauschte Opamp-Eingänge).

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Anmerkungen: Die gezeigte Netzwerkkarte ist stabil, solange der Quellenwiderstand der Spannungsquelle (in der Abbildung nicht gezeigt) kleiner als R1 ist. Diese NIC-Blöcke werden zum Dämpfen von Filtern, Oszillatoren und anderen Systemen mit unerwünschten positiven (parasitären) Widerständen verwendet. Mathematisch können sie als "normale" Widerstände in Reihen- und Parallelkombinationen behandelt werden - allerdings natürlich mit negativem Vorzeichen.

Eine sehr beliebte Anwendung ist der "NIC-Integrator" (oder "Deboo-Integrator"), bei dem ein NIC-Block mit dem gemeinsamen Knoten eines einfachen RC-Tiefpasses verbunden ist. In diesem Fall kann die Netzwerkkarte die Position kompensieren. Widerstand R - ähnelt somit einer Stromquelle, die den Zwischenkondensator lädt.

Irgendwo habe ich gelesen, dass ein Beispiel für eine Komponente mit negativem Widerstand eine Spannungsquelle ist. Diese Aussage verstehe ich aber nicht, da eine Spannungsquelle eine Komponente ist, die höchstens einen (positiven) Innenwiderstand aufweist.

Vielleicht wird eine Spannungsquelle erwähnt, weil wir alle wissen, dass eine ideale Spannungsquelle einen Innenwiderstand von Null haben sollte: Eine gute hat einen kleinen positiven Widerstand, zu dem jeder zur Last führende Drahtwiderstand hinzugefügt wird.

Bei einer elektronisch geregelten Versorgung ist es möglich, den Ausgangswiderstand über Null hinaus in den negativen Widerstandsbereich zu zwingen. Dies erfolgt durch Leiten eines Teils des Laststroms, so dass der Regelspannungsknoten in einer solchen Richtung eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung erhöht wird. Ein Beispiel für den üblichen LM317-Regler mit negativem Ausgangswiderstand ist unten dargestellt. Beachten Sie, dass einige Lasten zu wilden Ergebnissen führen:

$R_{load}$

• Bei 5 Ohm beträgt der Spannungsabfall über Rload 4,322 V.

• Bei 15 Ohm beträgt der Spannungsabfall an der Last 3,993 V.

Das Ergebnis dieses 1-Ohm-Widerstands (und die Richtung des durch ihn fließenden Rload-Stroms) zwingt diese Spannungsversorgung zu einem negativen Widerstand: Bei schwereren Lasten steigt die Ausgangsspannung an. Dieser Spannungsanstieg kann den Spannungsabfall über dem Drahtwiderstand kompensieren.

Alles, was mit steigendem Strom an Spannung abfällt, hat einen negativen Widerstand.

Stromquellen haben diese Eigenschaft. Die passiven Komponenten mit inkrementellem negativen Widerstand umfassen: Beliebige Gasentladungsbirne oder Lichtbogen, Lawineneffektdioden, Tunneldioden, SCRs während der Triggerphase.

https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_resistance

Aber wie ist das physikalisch möglich?

Einige Komponenten, wie Esaki-Dioden und Glühröhren, haben eine IV-Kurve, die vollständig im I- und III-Quadranten liegt, jedoch über einen begrenzten Bereich einen negativen Steigungsbereich aufweist. In diesem Bereich weist ein Kleinsignalmodell des Geräts einen negativen Widerstand auf.

( Bildquelle )

In der Esaki-Diode wird dieses Verhalten durch Tunnelstrom verursacht, der bei niedriger Vorspannung, jedoch nicht bei höherer Vorspannung möglich ist.

Es ist auch möglich, eine Operationsverstärkerschaltung mit negativem Eingangswiderstand über einen begrenzten Bereich herzustellen. Dort kann die IV-Kurve sogar durch die II- und IV-Quadranten verlaufen, da die Stromversorgung über die Leistungsanschlüsse des Operationsverstärkers erfolgen kann.

Irgendwo habe ich gelesen, dass ein Beispiel für eine Komponente mit negativem Widerstand eine Spannungsquelle ist.

Wenn man die Eingangsseite einer geregelten Schaltversorgung mit fester Last betrachtet, erscheint sie häufig als negativer Widerstand.

Dies liegt daran, dass es sich um eine konstante Leistungslast handelt. Wenn die Eingangsspannung abfällt, erhöht die Reglerschaltung den aufgenommenen Strom, um die Last weiterhin mit der gewünschten Ausgangsspannung zu versorgen.

Obwohl der negative Widerstand geheimnisvoll ist, handelt es sich tatsächlich um ein recht einfaches Konzept. Dies kann leicht durch Analyse der Spannungsabfälle an den Widerständen erklärt werden.

Der positive Widerstand subtrahiert seinen Spannungsabfall von der Eingangsspannung, wodurch der Strom verringert wird, während der (S-förmige) negative Widerstand seinen Spannungsabfall zur Eingangsspannung addiert, wodurch der Strom erhöht wird. So die positiven Widerstand behindert , während der negativer Widerstand hilft den Strom.

Die Hauptfrage lautet: "Wie addiert der negative Widerstand seine Spannung?" Es gibt zwei Techniken, die zu zwei Arten von negativem Widerstand führen - Differential und Absolut .

Der negative Differenzwiderstand ist im Wesentlichen ein positiver Widerstand, der seinen Spannungsabfall V = IR von der Eingangsspannung subtrahiert. Im Gegensatz zum positiven Widerstand mit konstantem Widerstand ist es jedoch ein dynamischer Widerstand , der seinen Widerstand erheblich verringert, wenn der Strom leicht ansteigt. Infolgedessen nimmt der Spannungsabfall (das Produkt aus dem zunehmenden I und dem stärker abnehmenden R) ab, anstatt zuzunehmen ... und dies entspricht dem Hinzufügen von Spannung. Dies ist der Trick - die Reduzierung des Verlusts ist eigentlich ein Gewinn .

Siehe auch: Entmystifizierung des Phänomens des negativen Differentialwiderstands

Absoluter negativer Widerstand wird auf natürlichere Weise erzeugt - durch eine dynamische Spannungsquelle (elektronische Schaltung). Es ändert seine Spannung proportional zum Strom (wie ein positiver Widerstand), addiert sie jedoch zur Eingangsspannung (statt zu subtrahieren). Zum Zwecke der Addition hat diese Spannung eine entgegengesetzte Polarität; daher der Name dieser Schaltung - "Spannungsinversions-Impedanz mit negativer Impedanz" (VNIC).

Siehe auch: Untersuchung des linearen Modus von Negativimpedanzwandlern mit Spannungsinversion

Die "physikalische Bedeutung des negativen Widerstands" ist also "dynamischer Widerstand" oder "dynamische Quelle". Aber worum geht es bei all dem? Wofür kann ein negativer Widerstand verwendet werden?

Ein negativer Widerstand kann einen äquivalenten positiven Widerstand kompensieren . Wenn wir beispielsweise einen S-förmigen negativen Widerstand in Reihe mit einem positiven Widerstand mit demselben Widerstand verbinden, ist der äquivalente Widerstand Null. Im übertragenen Sinne hat der negative Widerstand den positiven Widerstand "zerstört" und die Kombination zweier Widerstände wirkt als Drahtstück. Mathematisch ist es einfach R - R = 0 ... aber wir Menschen brauchen eine "physikalischere" Erklärung ... und da ist es:

• Differential negativer Widerstand . Wenn die Eingangsquelle versucht, den Strom zu erhöhen, steigt der Spannungsabfall am positiven Widerstand an und sollte den Strom beeinflussen. Der negative Widerstand verringert jedoch seinen Widerstand kräftig, um den Spannungsabfall über sich selbst um den gleichen Wert zu verringern. Die Gesamtspannung im gesamten Netzwerk ändert sich nicht. Es verhält sich wie eine Zenerdiode mit einem Differenzwiderstand von Null. Der negative Differenzwiderstand kompensiert also die Änderung des Spannungsabfalls am positiven Widerstand ... nicht den Abfall.
• Absoluter negativer Widerstand . Es kompensiert den gesamten Spannungsabfall am positiven Widerstand (nicht nur die Änderung) durch Einfügen derselben Spannung. Zu diesem Zweck wird eine zusätzliche Spannungsquelle mit entgegengesetzter Polarität verwendet. Die Gesamtspannung im gesamten Netzwerk ist nicht nur konstant, sondern gleich Null. Das Netzwerk verhält sich wirklich wie ein "Stück Draht" und behindert den Strom nicht. Beliebte Beispiele für diese Anordnung sind der Transimpedanzverstärker und der invertierende Verstärker, bei denen der Operationsverstärkerausgang als absolut negativer "Widerstand" wirkt. Es zerstört den Rückkopplungswiderstand, indem es den Spannungsabfall über ihm mit gleicher Spannung kompensiert.

Die gewöhnliche Spannungsquelle ist kein negativer "Widerstand", da sich ihre Spannung nicht proportional zum Strom ändert ... sie ist nicht dynamisch ... sie ist konstant. Wir können es uns eher als eine Art "Zenerdiode" vorstellen.

Es ist wahrscheinlich, dass die entsprechende Diskussion in ResearchGate für Sie von Interesse sein wird:

Und warum gibt es noch zwei Arten von negativem Widerstand?

Ein perfekter negativer Widerstand ist unmöglich, aber ein Gerät kann über einen begrenzten Bereich negative Widerstandseigenschaften aufweisen.

Der Widerstand eines nichtlinearen Geräts variiert und bei einer gegebenen Spannung ist der äquivalente Widerstand gleich der Steigung der Leitung. Wenn die Steigung in einem Bereich negativ ist, hat dieser Bereich einen negativen Widerstand.

Zum Satz:

Irgendwo habe ich gelesen, dass ein Beispiel für eine Komponente mit negativem Widerstand eine Spannungsquelle ist.

Ich denke, dass die "Spannungsquelle mit negativem Widerstand" ein entscheidendes Missverständnis ist.

Der Fehler ist wahrscheinlich der folgende:

Eine normale Quelle liefert U = U0 - R I.

Wenn U0 auf 0 Volt eingestellt ist, wird der Ausdruck U = -R I.

Man ist versucht zu denken, dass der Widerstand negativ ist.

Tatsächlich stammt das Minuszeichen aus den Konventionen, die zur Beschreibung des Vorzeichens von U und I verwendet werden. Diese Konventionen unterscheiden sich für Quellen und passive Komponenten

Meistens und vor allem im Alltag ist diese Konvention die "Active Sign Convention" für Quellen und die "Passive Sign Convention" für Widerstände ( Wiki-Link )

Vielen Menschen ist nicht bewusst, dass sie nicht dieselbe Konvention verwenden, wenn sie U = U0 - RI für eine Quelle und U = RI für einen Widerstand schreiben

DC-DC-Wandlereingänge sind ein gutes Beispiel für einen negativen Widerstand. Wenn die Spannung abfällt, steigt der Strom an, um die gleiche Ausgangsleistung zu erzielen. Ein negativer Widerstand kann auch durch eine Operationsverstärkerschaltung erzeugt werden.

Auf einfache Weise ist der Widerstand das Verhältnis zwischen Spannung und Strom. Wenn Sie die Spannung gegen den in einer bestimmten Komponente vorhandenen Strom auftragen, wird der Widerstand als Steigung zwischen diesen Variablen angezeigt. Auf physikalische Weise bedeutet ein positiver Widerstand, dass bei steigender Spannung einer Komponente auch der vorbeiströmende Strom steigt, andernfalls bedeutet ein negativer Widerstand, dass der Strom abnimmt, wenn die Spannung einer Komponente steigt.