负电阻是什么？

电阻是各种无线电技术装置中的基本元件，打开每一架无线电机都会看到有各种各样的电阻，例如合成电阻、碳膜电阻、线绕电阻和金属膜电阻等等。由于这些元件都能在一定程度上阻碍电流的流通，即它们的电阻数值为正，因此人们又把它们叫作正电阻。但是，在无线电技术中也广泛地应用着所谓“负电阻”，什么是负电阻呢？下面我们就谈谈这个问题。

为了说明负电阻的概念，我们首先了解一下一般电阻（正电阻）的特点。

如果在电阻的两端加一个电压u，电阻上就会有电流i流过（见图1a），并且电流i的大小和电压u成正比，这种关系用公式表示则为Hi=u/R。这个公式对直流电流和交流电流都是正确的，在交流电流的情况下，字母u和i表示电压和电流的瞬时值。

上述关系式用图1b可以更直观地表示出来。在图1b中，横座标表示电阻两端的电压，它由零沿箭头的方向逐渐增大；纵坐标表示流过电阻的电流，它也是由零沿箭头的方向增大，但它不能独立变化，而只能随着电压一起变化。当中的一条通过坐标原点的斜线就表示电流随电压变化的关系，这条线叫作电阻的伏——安特性曲线。电阻的数值不同，这条曲线的斜率（纵坐标与横坐标的比）也不相同，但它们都表示电流和电压成正比变化的关系，这是正电阻的第一个特点。

正电阻的另一特点是当电流流过它时要消耗电能。正电阻消耗的电能由电源供给，这些电能都变成热能而使电阻发热。

以上是正电阻的特性，下面我们将和正电阻对照来研究负电阻的特性。

负电阻也和正电阻一样，有两个引出端（见图2a），不过负电阻不是一个简单的无线电元件，它的构成比较复杂，在我们搞清楚负电阻的特性以后，再来专门研究它是如何构成的。

负电阻的特性也用伏——安特性曲线来表示。理想负电阻的伏——安特性曲线如图2b所示。由曲线可知，当负电阻上电压为u\(_{0}\)时，相应的电流为i0；电压增加到u\(_{1}\)时，电流为i1，显然i\(_{1}\)小于i0。这就是说，当电压增加的时候，电流不是增加，而是减小。或者说，当电压增加的量（u\(_{1}\)—u0） 为正时，电流增加的量（i\(_{1}\)—i0）为负。反之，当电压从u\(_{0}\)减小到u2时，电流却从i\(_{0}\)增大到i2。或者说，当电压增加的量（u\(_{2}\)—u0）为负时，电流增加的量（i\(_{2}\)—i0）却为正。

从这里我们可以看出，加在负电阻上的电压增量，和流过它的对应的电流增量，在符号上总是相反的，因此它们的比值是负的，即

这也就是所以叫作负电阻的原因。而这一特性表现在交流电路里，则是加在它上面的电压和流过它的电流相位相反。

必须指出，只有在交流电压的作用下，才有可能出现负电阻。如果给负阻元件加一个直流电压，则流过它的电流仍然是一个直流电流，而且电流和电压的方向一致，因此二者之比仍为—正值，根本无负电阻可言。

由于在交流电路里，负电阻的电压和电流的相位关系与正电阻相反，因此它也就表现出了另一个重要特性，即负电阻不消耗电能，它反而能够象电源一样给出能量。例如在图3a中，回路电流i\(_{1}\)=e/R。假如把一个负电阻（—r）串联到回路里（见图3b），则回路电流i2=e/（R—r），显然i\(_{2}\)＞i1。由此可见，在回路里串联一个负电阻就如同增加一个电源一样，能够增大负载电阻R的电流，因而也就增加了输出功率。但是负电阻给出能量的特性和普通电源（如电池、发电机等）不同，它本身不能给出能量，它只能象电子管放大器那样，把电源的直流能量转变为交流能量。

下面再谈谈负电阻的构成问题。在无线电技术中遇到的负电阻都是一些无线电元件工作于特定的工作状态时表现出来的。例如四极电子管、五极电子管和隧道二极管等等，当它们的各极电压处于某一特定的范围，或者当把它们接成某些特殊电路时，就表现出负电阻特性。下面我们仅以四极管和五极管为例来研究负电阻是怎样形成的。

如果将四极管的控制栅压和帘栅压固定而变化屏压，就可得到图4所示的屏压—屏流特性曲线。可以把这条曲线分成三段，电压由零增加到u\(_{1}\)是第一段，从u1增加到u\(_{2}\)是第二段，大于u2的部分是第三段。由图可见，第一、三两段表现了正电阻特性，只有第二段才具有负阻特性。

为什么第二段表现出负电阻特性呢？原来这是由于四极管具有二次电子发射的特性造成的。我们知道，四极管比三极管多一个帘栅极，因此它的屏压对阴极发射的电子流的影响很微弱，其屏压的大小只能决定电子流分配在帘栅极和屏极上的数量。当屏压小于u\(_{1}\)时，在帘栅极和屏极之间形成一个较强的减速场，这时阴极电子流在帘栅压的作用下，一部分直接落到帘栅极上，其余部分在穿过网孔飞向屏极时，由于受到减速场的作用，又有一些回到帘栅极来（见图5a），这就使得最后落到屏极上的电子数量很少，所以屏流很小。随着屏压的增加，减速场逐渐变弱，屏流也就逐渐增加，一直增加到i1。

当电压在u\(_{1}\)和u2之间时，到达屏极的电子流的数量虽然增多，但由于它们的速度也增大，因而能够从屏极上撞出二次电子来。又由于这时屏极电压仍低于帘栅极电压，因此二次电子离开屏极后受到帘栅压的吸引而落到帘栅极上（见图5b），这时帘栅流增大，而屏流却因为屏极损失了二次电子反而减小了。所以屏压从u\(_{1}\)增大到u2，屏流反而从i\(_{1}\)减小到i2（见图4），这就是四极管形成负电阻的实质。

屏压增加到u\(_{2}\)后，它已接近于帘栅压，这时二次电子已不再落到帘栅极上，而是都回到屏极去了（见图5c），因此屏流又开始回升。

下面我们再研究怎样利用五极管来形成负电阻。图6a是利用五极管形成负电阻的一种电路，五极管帘栅极和抑制栅极之间接入了电池组E是本电路的一个特点。由图可见，当帘栅压为U\(_{c2}\)时，抑制栅压则为Uc3=-E+U\(_{c2}\)。调节电位器R不仅能改变帘栅极电压，同时也能改变抑制栅极电压。图6b为帘栅极电压和电流的伏—安特性曲线，由图可见，这条曲线也是分成三段。当帘栅压Uc2处在零到u\(_{1}\)之间时，由于它的数值较小，使Uc3=－E+U\(_{c2}\)的值为负。这个负电压使屏流截止，因此阴极发射的电子流全部落到帘栅极上，使帘栅流随帘栅压而增加。继续增加Uc2，抑制栅的负压降低，因而出现屏流。尽管这时帘栅压增大，使阴极发射的电子流增加，但由于屏流增加的更快，因此反而使帘栅流减小，于是在u\(_{1}\)-u2这一区域里，帘栅极和阴极之间就表现了负阻特性。当u\(_{c2}\)增加到大于u2时，由于帘栅极直接截获的电子数略有增加，因此帘栅流又极其缓慢地上升了。

上面研究了四极管、五极管出现负阻特性的物理实质，此外还有一些无线电元件也具有负阻特性，这里就不一一叙述了。

负电阻的主要用途是可以组成负阻振荡器。我们知道，电感线圈L和电容器C并联的电路是一个振荡回路（见图7a）。在C上加上电压使它充电，能量便储存在C的静电场中：C通过L放电时，电流流过L便把能量储存在线圈的磁场中。能量在L和C之间来回交换，便产生了电磁振荡。理想的并联回路没有能量损耗，因而振荡能够永远维持下去，构成一个等幅振荡（见图7b）。但由于线圈的导线总有一些电阻，同时电容器也有介质损耗，因此振荡回路中储存的能量会逐渐消耗掉，振荡的幅度会渐渐变小以至振荡停止（见图7c），这种振荡叫作阻尼振荡。阻尼振荡的损耗可用一个和回路并联的电阻R来表示（见图8a），假如把一个负电阻（-R）并联在LC振荡回路上，并且使-R与R的大小相等（见图8b），则负电阻就能抵偿掉回路的损耗，因而使振荡能够永远维持下去，这就是负阻振荡器构成的原理。由多栅管组成的负阻振荡器广泛地应用在无线电测量设备和收音机中，这种振荡器的工作稳定，而且线路也比较简单。

负电阻除可以构成负阻振荡器以外，还有放大作用（原理见本文图3）。利用负电阻的这种放大作用制成的负阻增音机广泛地用在电话线路上。

在脉冲设备中，负电阻还广泛地用来作开关元件（工作原理见本期“奇妙的隧道二极管”一文）等等。（田砂）