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Elektrisches Widerstandselement. Für diese Anmeldung ist gemäß dem
Unionsvertrage vom z. Juni igi i die Priorität auf Grund der Anmeldung in England
vom g. November 192o beansprucht. .Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches
Widerstandselement mit zwei geeigneten Elektroden, die durch das Widerstandsmaterial
leitend miteinander verbunden sind. Nach der Erfindung besteht dieses Widerstandsmaterial
aus einem erschmolzenen Gemisch von Kupferoxydul und Kupferoxyd, das in der nachstehend
näher beschriebenen Weise erzeugt und verwendet ist Mit der Oberfläche eines Kupferoxydblocks
bringt man zwei Elektroden in Berührung, zwischen denen ein elektrischer Lichtbogen
hergestellt werden kann. Dieser erzeugt eine Schmelze, die aus einem Gemisch von
Kupferoxydul und Kupferoxyd besteht, das sich als ein für viele Zwecke hervorragendes
elektrisches Widerstandsmaterial erwiesen hat. Am besten wird so vorgegangen, daß
die auf die Oberfläche des Kupferoxydblocks aufgedrückten leitenden Elektroden an
eine geeignete Stromquelle angeschlossen, zunächst in Berührung miteinander gebracht
und dann auseinandergezogen werden. Hierbei bildet sich ein Lichtbogen, der auf
oder unmittelbar unter der Oberfläche des Oxyd blocks verläuft und die Schmelze
erzeugt. Wird Gleichstrom verwendet, so ist der Widerstand in verschiedenen Abständen
zwischen den beiden Elektroden verschieden, so daß man, je nachdem das Material
näher oder entfernter von der einen Elektrode entnommen wird, Material von verschiedenem
Widerstande erhält. Die Verwendung erfolgt am besten in Gestalt einer kleinen Perle,
die zwei Platindrähte miteinander verbindet. Verwendet wird das Material in der
Form, daß die Platinelektroden mit der Oxydperle in ein Rohr eingeschlossen werden,
das mit einem neutralen Gas oder einem höheren oder niedrigeren Vakuum gefüllt ist.
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In der beiliegenden Zeichnung ist die Erfindung erläutert. Abb. z
und 2 zeigen die Herstellung der Schmelze durch Erzeugung eines Lichtbogens auf
der Oberfläche eines Kupferoxydblocks, Abb. 3 bis 5 stellen die Erzeugung des Widerstandselementes
durch Aufbringen einer Oxydperle auf zwei, nicht in unmittelbarer leitender Berührung
miteinander stehende Platinelektroden dar, Abb.6 zeigt eine Ausführungsform des
verwendungsbereiten Elements, und Abb. 7 stellt die Eigenschaften des Materials
dar.
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Der Kupferoxydblock wird aus pulverisiertem Kupferoxyd oder aus Kupferkarbonat
hergestellt. Letzteres ist im allgemeinen leichter zu erhalten. Es wird bis zur'
Rotglut erhitzt, woraus sich Kupferoxyd in pulverisierter Form ergibt. Dieses wird
bei Abkühlung mit Wasser gemischt und unter Druckanwendung zu einem ziegelsteinartigen
Block geformt, wie bei B in Abb. r und z dargestellt.
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Es ist erwünscht, daß alle Verunreinigungen
beseitigt
werden und der Block fast ausschließlich aus Kupferoxyd besteht. Dann erhält man
die herzustellende Schmelzmasse in der Weise, daß zwei Kupferelektroden C, E (auch
andere Elektrodenmaterialien sind untersucht worden, haben aber kein befriedigendes
Ergebnis gezeigt) hintereinander in einen elektrischen Stromkreis, bestehend aus
der Gleichstrommaschine D und dem regelbaren Widerstand A, R, eingeschaltet werden.
Es ist wichtig, daß die Gleichstrommaschine eine vergleichsweise hohe Spannung ergibt,
z. B. 230 Volt. Die Elektroden C, E werden zur Berührung miteinander gebracht
und dann langsam auseinander gezogen, so daß sich in der üblichen Weise ein Lichtbogen
bildet. Eine der Elektroden kann fest in dem Oxydblock B eingebettet werden, während
die andere Elektrode auch in Kontakt mit der Oberfläche des Blocks gebracht und
dann, auf diesem schleifend, langsam von der anderen entfernt wird. Unter der Einwirkung
des Lichtbogens erhitzt sich das Oxyd da, wo es vom Lichtbogen bestrichen wird,
und kommt in geschmolzenen Zustand, wodurch sein Widerstand ganz erheblich vermindert
wird. Die Elektroden werden dann nach und nach immer weiter voneinander entfernt,
so daß immer mehr Oxyd erhitzt und gegebenenfalls auch der Lichtbogen verlöscht
wird, während der Stromschluß zwischen beiden Elektroden durch die Oberfläche des
Kupferoxydes aufrechterhalten bleibt. Der dadurch hergestellte Stromweg ist bei
1' in Abb. 2 angedeutet, er versetzt das Material, in dem er verläuft, in helle
Rotglut. Das Kupferoxyd im Bereich dieses Stromweges wird vollständig geschmolzen
und kann jeweilig abgenommen und durch frisches Oxyd ersetzt werden, um den Stromweg
aufrechtzuerhalten oder ihn noch zu vergrößern.
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Der Grund für die Behandlung des Kupferoxyds in der Form eines ziegelsteinartigen
Blocks ist der, daß geschmolzenes Kupferoxyd sowohl Silizium als auch die meisten
feuerfesten Tone angreift, aus denen man Schmelztiegel herstellen könnte. Selbstverständlich
könnte man aber auch die Behandlung des Oxyds mit dem Lichtbogen in einem Platintiegel
vornehmen, aber das vorstehend beschriebene Verfahren der Bestreichung der Oberfläche
eines Kupferoxydblocks mit einem Lichtbogen wird bevorzugt, da es sich als äußerst
geeignet erwiesen hat, namentlich für die Herstellung des Widerstandselementes,
das nunmehr beschrieben werden soll.
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Zur Erzeugung eines solchen Elements, das einfach in elektrische Stromkreise
eingeschaltet werden kann, wird nachstehendes Verfahren angewendet, vorausgesetzt,
daß der Strom, von dem das Element durchflossen werden soll, nicht allzu stark ist:
Man nimmt zwei Stücke Platindraht, die sehr dünn sein können und formt an dem Ende
des einen der Drähte 1I"1 eine Schleife L1, Abb. 5. Durch diese wird der zweite
Draht W2 gezogen, und dann auch aus diesem eine Schleife L'= gewickelt, so daß durch
die beiden Schleifen die Drähte gelenkig zusammenhängen. Diese.Drähte werden dann,
wie in Abb. q. ersichtlich, zusammengebogeil und mit einem Zangenmaul 1" erfaßt,
so daß die Schleifen L1 und L2 sich in einer mittleren Lage befinden, wobei die
Drähte selbst aber einander nicht berühren dürfen. Dann werden die Drähte in das
geschmolzene Kupferoxyd auf der Oberfläche des Blocks in dem Stromweg 1' eingetaucht
und damit ein Kügelchen des geschmolzenen Materials herausgenommen, das die Drähte
an der Stelle, wo sich die beiden Schleifen befinden, umgibt und umfaßt und, wenn
man die Drähte aus der geschmolzenen Masse herausnimmt, daran hängen bleibt und
erstarrt.
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Um das so hergestellte elektrische Widerstandselement vor Beschädigungen
zu sichern, wird es zweckmäßig so eingeschlossen, daß reduzierende Gase keinen Zutritt
haben oder zu hohe Temperaturen nicht darauf einwirken können, wodurch das geschmolzene
Material zu Kupfer reduziert werden könnte.
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Eine für praktische Zwecke brauchbare Ausführungsform eines Widerstandselements
ist in Abb. 6 dargestellt: Hier ist das Element R, E in einem engen Rohr T eingeschlossen,
durch dessen Enden die Platindrähte hindurchreichen. Die Durchtrittsstellen sind
verkittet mit einer Masse I', 1', zweckmäßig aus gebranntem Gips. Zur größeren Sicherheit
ist noch ein äußeres Rohr T1 vorgesehen, das das Rohr T umfaßt und an den Enden
mit Metallkappen 1I, C abgeschlossen ist, durch die das innere Rohr hindurchragt.
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Die Metallkappen sind mit Metallrohrstükken aI, T umgeben,
an denen Anschlußstreifen Z', I' vorgesehen sind. Mit Hilfe dieser kann das Element
in einen beliebigen Stromkreis eingeschaltet werden, nachdem die Enden der Platindrähte
in die Metallrohrstücke aI, C eingelötet oder sonstwie damit verbunden sind.
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Das Widerstandsmaterial besteht, wie erwähnt, aus einem Gemisch von
Kupferoxydul und Kupferoxyd in wechselnden Anteilen. Das Kupferoxydul hat einen
sehr viel kleineren Widerstand als das Kupferoxyd. Demgemäß muß der Widerstand des
Materials um so niedriger sein, je mehr Kupferoxydul darin enthalten ist, und um
so höher, je größer der Gehalt an Kupferoxyd ist.
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Es hat sich nun ergeben, daß der Widerstand des geschmolzenen Materials,
das in dem Stromweg 1', Abb. 2, enthalten ist, sich in dem Maße vergrößert, wie
man sich der positiven Elektrode nähert, und daß der Widerstand nach der negativen
Elektrode zu immer geringer wird. Je nachdem man also die Perle, die den Widerstand
bilden
soll, in der Nähe der positiven oder in der Nähe der negativen Elektrode entnimmt,
wird der Widerstand größer oder geringer und kann daher nach Bedarf bemessen werden.
Durch Erhöhung der Stromstärke können übrigens die Widerstandsänderungen erheblich
vergrößert werden. Das dürfte auf einer elektrolytischen Wirkung in der geschmolzenen
Masse beruhen, indem am positiven Pol eine Anhäufung von Kupfer und am negativen
Pol eine Anhäufung von Sauerstoff stattfindet.
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Um den Widerstand eines fertigen Elements einzuregeln, ist es nur
notwendig, es auf denjenigen Grad in Luft- oder in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre
zu erhitzen, bei dem Sauerstoff aufgenommen wird und der Widerstand sich demgemäß
erhöht. Wenn anderseits der Widerstand herabgesetzt werden soll, so muß die Erhöhung
in einer wasserstoffhaltigen oder sonstwie reduzierenden Atmosphäre vor sich gehen.
Jedenfalls kann man durch diese Hilfsmittel diejenigen Widerstandsänderungen ausgleichen,
die bei der beschriebenen Art der Herstellung des Elements unvermeidlich eintreten.
Wenn das Element ziemlich hohen Temperaturen ausgesetzt werden soll, wie es bei
gewissen Anwendungen der Fall ist, so würde sich sein Widerstand in Übereinstimmung
mit der Art der Atmosphäre ändern, in der es untergebracht wird. Demgemäß ist es
erforderlich, das Element einzukapseln. Ein zweckentsprechender Weg dafür ist in
der bereits besprochenen Abb.6 angegeben. Wenn das so ausgestattete Element sich
an Ort und Stelle befindet, so kann man es erhitzen, und die Widerstandsperle nimmt
dann allen Sauerstoff auf, der in dem Behälter noch vorhanden ist. Der Widerstand
bleibt dann gleichmäßig, was für Temperaturänderungen auch immer stattfinden mögen.
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Für alle normalen Temperaturen ist übrigens das geschmolzene Material
durchaus beständig, und nur für Grenzfälle sind die erwähnten Vorsichtsmaßregeln
erforderlich. Temperaturänderungen von ungefähr Zoo ° C haben keinen bemerkenswerten
Einfluß.
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In Abb. 7 sind zwei Kurven wiedergegeben, die die Eigenschaften des
Widerstandselements zeigen. Die punktiert gezeichnete Kurve zeigt das Verhältnis
zwischen Widerstand und Temperatur. Es ist daraus ersichtlich, daß der Widerstand
von To ooo Ohm bei Normaltemperatur auf ungefähr i5o Ohm bei -goo° fällt. Daraus
ergibt sich, daß das Widerstandsmaterial bei normaler Temperatur nahezu als Isolationsmaterial
anzusehen ist, während es bei Zoo" C den Durchgang einer genügenden Strommenge gestattet,
um damit ein Relais o. dgl. zu betreiben. Die Vorrichtung hat daher die Eigenschaften
eines Wärmerelais.