第6节 非线性传导
“进步是通过回答问题来实现的。发现是通过质疑答案来实现的。” ——伯恩哈德·海施，天体物理学家
“Advances are made by answering questions. Discoveries are made by questioning answers.” —Bernhard Haisch, Astrophysicist
欧姆定律是一种简单而强大的数学工具，可帮助我们分析电路，但它也有局限性，我们必须了解这些局限性才能将其正确应用于实际电路。对于大多数导体来说，电阻的特性相当稳定，在很大程度上不受电压或电流的影响。
因此，我们可以将许多电路元件的电阻视为一个常数，与电压和电流无关。
例如，在我们之前使用 3 Ω 灯的电路示例中，我们通过将电压除以电阻 (I=E/R) 来计算通过电路的电流。使用 18 伏电池，我们电路的电流为 6 安培。将电池的电压加倍至 36 伏，导致电流加倍为 12 安培。
当然，所有这些都是正常的，只要灯继续为流过它的电流提供完全相同的阻力（电阻）：3 Ω。
# 1. 电阻变化时的电压-电流关系
然而，电阻在实际情况下并不这么简单。后面一章探讨的现象之一是导体电阻随温度变化的现象。在白炽灯中（利用电流将细细的灯丝加热到发出白热光的原理的那种灯），当灯丝从室温升温到工作温度时，其电阻会急剧增加。
如果我们要增加实际灯电路中的电源电压，电流的增加会导致灯丝温度升高，进而增加其电阻，从而防止电流进一步增加.
因此，电压和电流不遵循简单的公式“I=E/R”（假设 R 等于 3Ω），因为白炽灯灯丝电阻对于不同的电流不会保持稳定。
电阻随温度变化而变化的现象是几乎所有金属都共有的现象，大多数电线都是由金属制成的。对于大多数应用，这些电阻变化小到可以忽略不计。在金属灯丝的应用中，变化恰好是相当大的。
这只是电路中“非线性”的一个例子。这绝不是唯一的例子。数学中的“线性”函数是在图形上绘制时接近直线的函数。灯丝电阻为 3Ω 的简化版灯电路伏安特性图如下：
电流与电压的直线图表明，对于电路电压和电流范围很大的情况下，电阻是一个稳定、不变的值。在“理想”情况下，情况就是这样。电阻器是为提供确定、稳定的电阻值而制造的，其行为非常类似于上面看到的值图。数学家会称他们的行为是“线性的”。
然而，在几个不同的电池电压值上对灯电路进行更实际的分析会生成这种形状的图：
伏安特性不再是一条直线。随着电压从零增加到低电平，它在左侧急剧上升。当它向右移动时，我们看到线条逐渐平缓，电路需要越来越大的电压增加才能实现电流等额增加。
如果我们根据上面绘制的电压和电流值使用欧姆定律来找这个灯电路的电阻，我们会得到几个不同的值。因此我们可以说这里的电阻是非线性的，电阻是随着电流和电压的增加而增加的。非线性是由高温对灯丝金属线的影响引起的。
非线性电流传导的另一个例子是通过诸如空气之类的气体。在标准温度和压力下，空气是一种有效的绝缘体。但是，如果被空气间隙隔开的两个导体之间的电压增加得足够大，那么气隙之间的空气分子就会被“电离”，它们的电子会被导线之间的高压力剥离。
一旦电离，空气（和其他气体）就会成为良好的电导体，从而允许电子电离的空气中流动。如果我们像处理灯电路一样在图表上绘制电流过电压，则电离效应被视为非线性：
所示图表是小气隙（小于一英寸）的近似值。较大的气隙会产生较高的电离电位，但 I/E 曲线的形状会非常相似：在达到电离电位之前几乎没有电流，然后是实质上的传导。
顺便说一句，这就是闪电作为瞬时浪涌而不是连续电子流存在的原因。在空气电离到足以支持大量电子流之前，地球和云之间（或不同云组之间）建立的电压必须增加到克服气隙的电离电位的程度。
一旦这样做，电流将继续通过电离空气传导，直到两点之间的静电荷耗尽。一旦电荷耗尽足以使电压降至另一个阈值点以下，空气就会去离子并返回到其极高电阻的正常状态(绝缘体的状态)。
许多固体绝缘材料表现出类似的电阻特性：对低于某个临界阈值电压的电流具有极高的电阻，然后在超过该阈值的电压时电阻低得多。
一旦固体绝缘材料被称为高压击穿，它通常不会恢复到以前的绝缘状态，这与大多数气体不同。气体可以在低电压下再次绝缘，但它的击穿阈值电压会降低到某个较低的水平，这可能会使将来更容易发生击穿。
这是高压接线中常见的故障模式：击穿导致的绝缘损坏。此类故障可以通过使用采用高压（1000 伏或更高）的特殊电阻表来检测。
# 2. 非线性电阻元件
有专门设计用于提供非线性电阻曲线的电路元件，其中包含压敏电阻。通常由氧化锌或碳化硅等化合物制成，这些器件在其端子上保持高电阻，直到达到一定的“触发”或“击穿”电压（相当于气隙的“电离电位”），此时他们的抵抗力急剧下降。
与绝缘体的击穿不同，压敏电阻击穿是可重复的：也就是说，它被设计成能够承受反复击穿而不会出现故障。压敏电阻的图片如下所示：
也有特殊的充气管设计用于做同样的事情，利用相同的原理在工作中通过闪电使空气电离。
其他电气元件表现出比这更奇怪的电流/电压曲线。随着施加电压的增加，某些设备实际上会经历电流减少。因为这种现象的电流/电压的斜率是负的（从左到右，向下而不是向上倾斜），它被称为负电阻。
最值得注意的是，高真空电子管称为四极管和半导体二极管称为 Esaki 或隧道二极管显示负电阻的某些范围的施加电压。
最值得注意的是，称为四极管的高真空电子管和被称为Esaki的半导体二极管或隧道二极管的半导体二极管在施加一定的电压时会表现出负电阻。
欧姆定律对于分析这些电阻随电压和电流变化的组件的行为不是很有用。甚至有人建议将“欧姆定律”从“定律”的地位降级，因为它不具有普遍性。将方程 (R=E/I) 称为电阻的定义可能更准确，它适合特定类别的材料在特定的条件范围内。
为了便于学生理解，我们将假设示例电路中指定的电阻在广泛的条件下是稳定的，除非另有说明。我只是想让你了解一点现实世界的复杂性，以免给你一种错误的印象，即整个电气现象可以用几个简单的方程来概括。
# 3. 总结
- 大多数导电材料的电阻在各种条件下都是稳定的，但并非所有材料都如此。
- 任何可以在图形上绘制为直线的函数都称为线性函数。对于具有稳定电阻的电路，电流与电压的关系图是线性的 (I=E/R)。
- 在电阻随电压或电流变化而变化的电路中，电流与电压的关系图将是非线性的（不是直线）。
- 压敏电阻是一种随着施加在其上的电压量而改变电阻的组件。由于其上的电压很小，它的电阻很高。然后，在一定的“击穿”或“触发”电压下，其电阻急剧下降。
- 负电阻是通过组件的电流实际上随着施加在它上面的电压增加而减少。一些电子管和半导体二极管（最值得注意的是，分别是四极管和Esaki或隧道二极管）在一定的电压范围内表现出负电阻。
# 4. 总目录
一次校对：向导协作团队 --- 八天一吨水 (opens new window)