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Negativer Widerstand.
Es gibt verschiedene Kristalle, z. B. Bleiglanz, die im Kontakt mit einem gewissen Metall, z. B. einem Eisendraht, eine fallende Charakteristik (Spannung als Funktion des Stromes) aufweisen.
An Stelle von Kristallen kann man auch eine künstliche Schmelze, z. B. von Bleisulfid mit einem geringen Zusatz von Kupfersulfid, verwenden, wodurch man eine steilere und an allen Stellen der geschmolzenen Substanz auftretende fallende Charakteristik erhält. Jedoch haben auch solche negative Widerstände noch den Nachteil, dass die Kontaktstelle sehr erschütterungsempfindlich ist.
Durch die Erfindung wird ein negativer Widerstand geschaffen, der diesen Nachteil nicht besitzt. Er ist deshalb für die verschiedensten technischen Verwendungszwecke als Generator und Verstärker brauchbar.
Die Erfindung besteht zunächst darin, die Substanzmasse zu zerkleinern und das lose Pulver zwischen zwei Elektroden zu schütten, so dass die einzelnen Körnchen ähnlich wie beim Mikrophon lose Kontakte miteinander bilden.
In Fig. l sind die beiden metallischen Elektroden E* dargestellt. Zwischen den Elektroden befindet sich die Kontaktsuhstanz K. Die Hülse II aus Isoliermaterial dient als Führung für die Elektroden und verhindert das Herausfallen des Pulvers. Mit G ist der Behälter bezeichnet, der, wie unten noch ausgeführt wird, mit einem Gas gefüllt werden kann.
Es war, nachdem sich experimentell ergeben hatte, dass im Kontakt mit der Substanz nur ganz bestimmte Metalle bei einer ganz bestimmten Polung einen negativen Widerstand zeigten, von vornherein nicht zu erwarten, dass die Substanz im gepulverten Zustand zwischen zwei aus beliebigem Metall bestehenden und beliebig gepolten Elektroden dieselbe Eigenschaft zeigen werde. Überraschenderweise war das der Fall, wenn die Körnchen erfindungsgemäss sehr klein waren. Ihre Grösse muss kleiner sein als die des gebräuchlichen Mikrophonpulvers.
Ein loser Anliegedruck der einzelnen Pulverteilchen untereinander ist Voraussetzung für die Ausbildung des negativen Widerstandes. Die Anliegedrucke der einzelnen Pulverteilchen addieren sich zu einem Gesamtdruck, den die Elektroden aufnehmen. Dieser Elektrodendruck ist zweckmässig möglichst hoch zu wählen, u. zw. wegen der mechanischen und elektrischen Stabilität des negativen Widerstandes und weil andernfalls zu hohe Spannungen erforderlich sind. Er ist dann nicht mehr so erschütterungsempfindlich, und man erhält bei jeder Messung immer dieselbe Charakteristik, was bei zu losem Druck nicht der Fall ist. Anderseits treibt ein zu hoher Elektrodendruck das Gas aus den Kontakträumen heraus, welches, wie unten noch erklärt wird, zum Betriebe notwendig ist. Also ist ein bestimmter Mittelwert des Druckes am günstigsten.
Die Schichtdicke spielt ebenfalls eine Rolle. Je dünner die Schicht ist, um so höhere Frequenzen lassen sich herstellen und verstärken. An einer dünnen Schicht entstehen aber bei derselben Stromstärke kleinere Spannungen als an einer dicken Schicht. Die Steilheit der Charakteristik ist mit andern Worten geringer. Dieser Nachteil wird nach der Erfindung durch
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Hintereinanderschaltung mehrerer Widerstände mit einer dünnen Schicht behoben. Man kann auch sagen, dass man einen Widerstand bestimmter Dicke durch Metallseheiben in mehrere
Widerstände mit kleiner Schichtdicke unterteilt. Die Metallscheiben können gleichzeitig zur
Kühlung benutzt werden, wie unten noch auseinandergesetzt wird. Von der Grösse der Schicht- dicke ist ebenfalls weiter unten noch die Rede.
Der Effekt konnte dadurch verbessert werden, dass der zerkleinerten Substanz etwas
Metallpulver beigemengt wurde. Für das Metallpulver kamen hier insbesondere solche Metalle in Betracht, von denen es wie bei Eisen und Molybdän bekannt ist, dass sie im Einzelkontakt mit der Substanz eine fallende Charakteristik zeigen.
Alle diese Kontaktpulver besassen wegen ihrer notwendig losen Beschaffenheit immer noch eine gewisse Stossempssndliohkeit. Diese geringe Stossempfindlichkeit wurde durch die folgende feste Anordnung ganz beseitigt.
Die lose und zerkleinerte Substanz wird mit einem neutralen Pulver vermengt und dann zwischen die beiden Elektroden festgepresst. Der Druck kann dann ungefähr zehnmal so gross sein wie ohne neutrales Pulver. Dieses muss eine bestimmte chemische und physikalische
Beschaffenheit haben. Chemisch muss es dieselbe nichtmetallische Komponente besitzen wie das Substanzpulver. d. h. wenn das Substanzpulver aus Sulfiden (Bleisulfid und Kupfersulfid) besteht, so muss auch das neutrale Pulver ein Sulfid sein, wenn auch von einem ändern Metall. Physikalisch muss das neutrale Pulver bedeutend schlechter die Elektrizität leiten als die Substanz. Am besten wird ein praktisch nichtleitendes neutrales Pulver benutzt. Beide Eigenschaften besitzt das Antimontrisulfid (Sb2 S3), welches also den Sulfiden beigemengt werden kann.
Zur Fabrikation des erfindungsgemässen negativen Widerstandes genügt ein Vermengen der Substanz (in unserem Beispiel Bleisulfid + Kupfersulfid) mit Antimontrisuissd. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Substanz (Bleisulfid + Kupfersulfid) erst für sich hergestellt wird und der notwendige Zusammenhang der beiden Komponenten (Blei- sulfid, Kupfersulfid) dadurch gesichert wird. dass die beiden Komponenten miteinander verschmolzen oder doch wenigstens gesintert werden. Diese geschmolzene oder gesinterte Substanz wird dann zerkleinert und mit dem neutralen Pulver zusammen vermengt und verrieben.
Das Volumenverhältnis der Substanz zum neutralen Pulver ist für die Ausbildung des negativen Widerstandes von ausschlaggebender Bedeutung. Das Verhältnis richtet sich ganz nach der Korngrösse. Ein bestimmtes, durch den Versuch leicht zu ermittelndes Verhältnis ist jeweils optimal. Das Optimum ist nicht sehr scharf ausgeprägt. Im allgemeinen hat es sich bewährt, wenn das Volumen der Substanz zum Volumen des neutralen Pulvers sich wie 3 : 1 verhält. Durch Wahl des Querschnittes und der Länge des Widerstandes kann der negative Widerstand aufs bequemste vorgeschriebenen Strömen und Spannungen angepasst werden.
Die erfindungsgemässen negativen Widerstände werden beim Stromdurchgang manchmal warm. Die Erwärmung wirkt aber der Ausbildung einer fallenden Charakteristik entgegen und muss daher durch Kühlung von aussen unterdrückt werden. Zweckmässig geschieht dies in der Weise, dass die Pulverschicht durch nach aussen ragende Metallscheiben, die wie Kühlrippen wirken, unterteilt wird, was, wie oben gesagt, auch zur Erzielung hoher Frequenzen günstig ist.
Sie können zur Kühlung in Öl tauchen.
In Fig. 2 sind die Metallscheiben mit jlf bezeichnet. Wie in Fig. 1 wird das Kontakt- pulver J (durch die Hülsen Haus Isoliermaterial am Herausfallen gehindert und durch die Elektroden E zusammengepresst.
Eine besondere äussere Kühlung hat sich als günstig erwiesen. Die Abkühlung erfolgte bei Versuchen auf die in der Technik ungewöhnliche Temperatur von-120 C und tiefer.
Der Vorteil so tiefer Temperaturen liegt ausser in einer Verbesserung des Nutzeffektes darin. dass der Frequenzbereich, innerhalb dessen der negative Widerstand Schwingungen zu erzeugen vermag, nach der hochfrequenten Seite stark erweitert wird. Die Temperatur darf jedoch nicht beliebig tief gewählt werden. Sie wird dadurch begrenzt, dass bei sehr tiefen Temperaturen die an der Kontaktstelle ad-und absorbierten Gase verflüssigt werden, was unbedingt vermieden werden muss, wenn die Wirksamkeit des negativen Widerstandes nicht plötzlich bis auf Null absinken soll.
Besser als Sulfide erwiesen sich bestimmte Oxyde als geeignet, wie z. B. Titansäure- anhydrid, Manganoxyd, Zinkoxyd, Chromoxyd, Eisenoxyd, Wolframsäure, Kupferoxyd und Zinndioxyd. Es genügt, ein einziges Oxyd, z. B. das Titansäureanhydrid, welclies den übrigen Oxyden an Wirksamkeit weit überlegen ist, allein für sich zu verwenden, jedoch ist ein Gemenge von zwei oder mehreren der genannten Oxyde vorteilhafter.
Derartige negative Widerstände aus Oxyden sind besonders geeignet, weil mit ihnen Wechselströme von Tonfrequenz und darüber hergestellt werden können, ohne dass erhebliche Trägheitserscheinungen auftreten. Die erfindungsgemässen Oxyde haben als Ursache und Kenn-
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oder gesinterten Zustande den elektrischen Strom ziemlich gut zu leiten, natürlich ohne elektrolytische Zersetzungserscheinungen. Zerkleinert man aber eine derartige, gut leitende Masse, z. B. gesintertes Cu 0, zu feinem Pulver oder nimmt man das Kupferoxyd, ohne es vorher zu schmelzen, in pulverförmigem Zustand, so zeigt das Pulver auch unter hoher und höchster Pressung keine Leitfähigkeit für den elektrischen Strom. Dies lässt sich durch folgenden Versuch veranschaulichen. Ein Pulver der erwähnten Art wird in ein Rohr aus Isoliermaterial, z.
B. ein Glasrohr von l/ < lichter Weite, geschüttet. Zwei Metallstempel werden als Elektroden in das Rohr geschoben und berühren das Pulver mehr oder weniger fest. Legen wir jetzt eine geringe Spannung an die Elektroden, so bemerken wir wegen der obenerwähnten Leitunfähigkeit der Substanz keinen Stromdurchgang. Erst wenn die Spannung über 300 Volt be- trägt und die Pulverschicht nicht dicker als I t ! ist, erfolgt ein Durchschlag, und von jetzt an bildet das Pulver nicht nur dauernd eine verhältnismässig gut leitende Substanz auch
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eines negativen Widerstandes.
Nicht nur bei den Sulfiden. sondern auch bei den Oxyden erwies sich der Zusatz von Metallpulver, wie z. B, Zink oder Eisen oder Kupfer, als günstig. Bewährt hat sich auch hier die Beimengung eines nichtleitenden Oxydes als neutrales Pulver.
Die Ursache der fallenden Charakteristik glaubte man bisher in einer Temperaturabhängigkeit des Kontaktes gefunden zu haben, insofern, als ein grösserer Strom eine erhöhte Temperatur hervorrief und diese eine bessere Leitfähigkeit der Kontaktstelle und niedrigere Spannung an ihr hervorrufen sollte. Wie oben gesagt, wirkt aber eine Erwärmung sehr störend und muss durch Kühlung vermieden werden.
Für die tatsächliche Ursache der fallenden Charakteristik haben die Versuche folgenden Sachverhalt ergeben : Es hat sich gezeigt, dass an den Kontaktstellen Gas adsorbiert wird. u. zw. je nach der Kombination der verschiedenen Substanzen nur an der einen Elektrode oder an beiden. Da die Leitfähigkeit der Kontaktstelle durch Elektronen hervorgerufen wird,
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mit einer Gasschicht bedeckt sind, weniger Elektronen emittieren als soche Stellen, die frei von Gas sind, so ergibt sich für den Vorgang der fallenden Charakteristik folgendes Bild :
Bei Stromlosigkeit der Kontaktstelle ist ein erheblicher Teil der Kathode von der adsor- bierten Gasschicht bedeckt. Die Emission der Kathode ist gering. Für einen bestimmten kleinen Strom ist eine verhältnismässig hohe Spannung notwendig.
Sobald der aus der Kathode aus- tretende Elektronenstrom grösser wird, liebt er gewissermassen die hindernde Gasschicht von der Kathode ab, die Elektronenemissionsfähigkeit der Kathode wird grosser : Die Spannung fällt mit wachsendem Strom.
Auf Grund dieses Bildes wurden die aus einem Pulvergemenge bestehenden negativen Widerstände in verschiedenen Gasen untersucht. Es zeigten sich, wie erwartet, charakteristische Unterschiede. In Wasserstoff z. B., der doch bei der Poulsenlampe ein unentbehrlicher Bestandteil, ist, zeigt sich eine bedeutend schlechter ausgebildete fallende Charakteristik oder sie fehlt ganz, während sie in Sauerstoff am besten hervortritt. Erfindungsgemäss werden daher solche Kontakte vorteilhaft in eine Sauerstoffatmosphäre zweckmässig von höherem Druck als Atmosphärendruck gebracht. Wird jetzt der Druck der Elektroden auf das Pulvergemenge dem Drucke des Gases angepasst, d. h. bei höherem Gasdruck erhöht, so tritt bei den Kontakten die neue Eigenschaft auf, sich zu regenerieren.
Ohne die erfindungsgemässen Massnahmen wird nämlich ein Kontakt beim Betriebe mit der Zeit unwirksam und zeigt die fallende Charakteristik dann nicht mehr, weil das adsorbierte Gas beim Betriebe allmählich aus den Kontaktstellen entweicht. Trifft man aber die erfindungsgemässen Massnahmen, so diffundiert das Gas allmählich aus dem Aussenraum in die Kontaktstellen zurück, und die fallende Charakteristik taucht wieder auf.
Das Regenerieren erfolgt bei Betriebsruhe innerhalb 10-50 Stunden und nur, wenn für diesen Zweck der Gasdruck und der Anlegedruck sorgfältig einander angepasst sind und sich der Kontakt in einem Medium befindet, das vom Kontakt stark adsorbiert wird. Bei zu losem Druck wird der Kontakt mit der Zeit völlig nichtleitend innerhalb der benutzbaren niedrigen
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Elektroden auf das Pulvergemenge.
Es konnte nun das Regenerieren bis auf wenige Sekunden beschleunigt werden, wenn dem negativen Widerstand ein Material hinzugefügt wurde, welches das betreffende Gas, welches von der Kontaktstelle adsorbiert wurde, auch absorbiert. Bekanntlich unterscheidet man Adsorption und Absorption. Adsorption ist eine Oberl ! ächenheladung des Materials mit dem Gase, wie z. B. Glas an seiner Oberfläche Gase adsorbiert. Absorption dagegen ist eine Lösung des Gases im Material, wie z. D. das Platin den Sauerstoff und das Palladium den
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wenig Platinmohr beigemengt.
Da das Platin ein guter Leiter ist, besteht die Gefahr, dass das beigemengte Platinmohr infolge Fritterwirkung Brücken miteinander bildet und damit einen inneren Kurzschluss des negativen Widerstandes hervorruft. Um diesen zu vermeiden, wird eine neutrale nicht leitende Substanz, z. B. fein zerriebenes Aluminiumoxyd oder Antimonoxyd, dem Platinmohr beigemengt
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jedoch, man benutzt von vornherein zur Beimengung einen nichtleitenden Katalysator. Als solcher hat sich z. B. das Oxyd des Cers oder Thors bewährt. Trifft man alle diese Mass- nahmen und passt den Anliegedruck der Elektroden dem Aussendruck des Gases ; wie gesagt. richtig an, dann regenerieren die Widerstände momentan.
Ausser Platin sind auch andere zur Regenerierung dienende Materialien (Katalysatoren) brauchbar. Zur Absorption von Sauerstoff können beispielsweise folgende Substanzen verwendet werden : Holzkohle, Kupferoxydul, Osmium und Vanadium. Insbesondere sind die Oxyde von Vanadium, Uran, Osmium, Mangan, Kobalt, Nickel, Wolfram und Chrom geeignet. Diese Gruppe von katalytischen Oxyden (deren hervorragendste Vertreter das Kupferoxydul. Uranoxyd und Vanadiumsäureanhydrid sind), die selbst keine oder eine nur wenig ausgeprägte fallende Charakteristik aufweisen, ist zu unterscheiden von der obengenannten Gruppe von Oxyden (z. B. Tir2), die einen guten negativen Widerstand bilden können.
Mischt man ein Oxyd dieser Gruppe mit einem Oxyd der andern katalytisch wirkenden Gruppe, so erhält man erst negative Widerstände, die allen Anforderungen der Praxis betreffs Lebensdauer, Betriebssicherheit, Überlastbarkeit und Konstanz entsprechen. Diese besten Gemenge machen sich schon bei der Prüfung an einer auffälligen Eigentümlichkeit kenntlich. Schickt man nämlich einen Strom durch das Gemenge und hält diesen Strom konstant und liest die Spannung an dem Gemenge ab, so bemerkt man, wenn jetzt das Pulver mittels der Elektroden stärker gepresst wird, ein Ansteigen der Spannung, während man gerade das Umgekehrte erwartet. Denn mit grösserer Pressung, nimmt man an, verringert sich der Abstand der Pulverteilchen und damit ihr Übergangswiderstand. Die Spannung müsste also abnehmen.
In der Tat ist das auch bei fast allen Gemengen der Fall. Nur bei den Gemengen die aus Oxyden aus beiden Gruppen zusammengesetzt sind, ist das gerade nicht der Fall. Man kann dieses (anormale) Steigen der Spannung direkt als Kennzeichen für ein gut für die Praxis geeignetes Gemenge ansehen.
Denn stets wurde beobachtet, dass dort, wo dieses Kennzeichen auftrat, sich auch vorzügliche Dauerschwingungen mit dem negativen Widerstand erzielen liessen.
Bei allen Gemengen musste das katalytisch wirkende Oxyd an Menge das andere bedeutend überragen. Insbesondere genügte es bei Hinzufügung eines Oxydes der katalytischen Gruppe, wenn dieses in nur 2-10 Gewichtsprozente hinzugefügt wurde. Oft genügten noch geringere
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Feinheit des Pulvers abhängt. Es kommt auch gar nicht so sehr auf das Gewichtsverhältnis wie auf das Volumenverhältnis an. Dieses günstigste Verhältnis ist aber bei Gemengen, die aus einem Oxyd der ersten Gruppe unter Hinzufügung von wenig Oxyd der katalytischen Gruppe bestehen, sehr deutlich an den elektrischen Messinstrumenten zu erkennen.
Es ist oben erwähnt, dass sich die Ausbildung der fallenden Charakteristik und das Regenerieren verschieden verhalten. Das Regenerieren erfolgt nur bei einem bestimmten. vom
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Elektroden schnell genug. Die fallende Charakteristik aber ist am besten ausgeprägt bei einem aus ganz andern Gründen bestimmten Anlegedruck der Elektroden, und beide optimalen Anliegedrucke sind selten dieselben.
Da man nun bei den pulverförmigen negativen Widerständen ausser durch Wahl des Pressdruckes auch durch Wahl der Schichtdicke eine günstige fallende Charakteristik einstellen kann, lässt sich bei diesen Widerständen sowohl das Regenerieren als auch die fallende Charakteristik optimal ausbilden. Man wählt nämlich erfindungsgemäss bei dem vorhandenen Aussendruck des Gases den Pressdruck dem besten Regenieren entsprechend und die Schichtdicke der Substanz je nach der Höhe der Frequenz so dünn, dass die fallende Charakteristik genügend steil ist. So kommt es, dass bei einem bestimmten Pressdruck erst bei
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schaften der fallenden Charakteristik und der Regenerierung wirksam und optimal hervortreten.
Bei den dünnen, hier notwendigen Schichten zerstäuben die Elektroden häufig, und die zerstäubten Produkte bilden eine leitende Brücke. Die Elektroden müssen daher aus einem schwer schmelzbaren Metall bestehen.
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oben angeführt, dass bei genügend hoher Spannung ein Durchschlag erfolgt und die Substanz von da ab ein Leiter mit der Eigenschaft eines negativen Widerstandes ist. Es wurde nun beobachtet, dass dieser Durchsehlagstromstoss bei den zuletzt beschriebenen erfindungsgemäss zusammengesetzten Oxydsubstanzen stören kann, indem er die Katalysatoren zu einer zu starken Abgabe des absorbierten Mediums veranlasst. Lm das zu vermeiden, wird die Substanz zunächst mit ganz schwachen Stromstärken durchschlagen.
Die Substanz fällt dann immer wieder schnell in den nichtleitenden Zustand zurück, bis schliesslich, wenn man die Durchschlagstromstärke langsam steigert, bei einer ganz bestimmten Stromstärke die Substanz nach dem Durchschlag leitend bleibt. Dies ist die günstigste Durchschlagstromstärke, die nicht überschritten werden darf und die man nehmen soll.
Die erfindungsgemässen Angaben der Regenerierung und der Katalyse sind nicht auf Sauerstoff und die oben erwähnten Oxyde und Sulfide beschränkt. Es dürfte nunmehr nicht schwer sein, auf Grund der Angaben andere Substanzen in andern Gasen zu erproben.
Bei allen erfindungsgemässen Kombinationen wurde eine überraschende Eigentümlichkeit des negativen Widerstandes beobachtet. Es wurde nämlich gefunden, dass die Stromstärke im Gegensatz zu sonstigen Widerständen nicht mit dem Querschnitt der Pulverschicht zunahm, sondern von einem bestimmten kleinen Querschnitt ab (von etwa 2 mo) sich nicht mehr wesentlich änderte. So trat die fallende Charakteristik bei einem pulverisierten Oxydgemisch von 90 mm2 Querschnitt bei einer Stromstärke auf (etwa zu Mj.), die man sonst nur an bedeutend (100-1000 mal) kleineren Querschnitten beobachtete.
Die nähere Untersuchung zeigte, dass sich bei den erfindungsgemässen Kombinationen der Strom nicht gleichmässig über die ganze zur Verfügung stehende Kontaktfläche verteilt, sondern dass der Strom nur an wenigen-oft nur einer-eng begrenzten Stelle übertritt. Diese Stelle verändert mit der Zeit ihre Lage, besonders bei Stromüberlastung und Erwärmung. Durch diese Fähigkeit, die Stromübergangsstelle automatisch zu wechseln, wird der Kontakt automatisch frisch erhalten.
Die Widerstände werden zweckmässig nicht gleich in Betrieb genommen, sondern erst einige Tage zum Ablagern und selbsttätigen Ausgleich innerer Spannungen sich selbst überlassen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Negativer Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass eine pulverisierte chemische Metallverbindung, die im Einzelkontakt mit einem Metalldraht eine fallende Charakteristik auf-
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und derartig feinkörnig ist, und dass der Druck der Elektroden auf einen solchen Mittelwert eingestellt ist, dass die Pulverschicht in ihrer ganzen Dicke wie ein negativer Widerstand wirkt.