DE4242368A1 - Widerstandsmaterial und daraus hergestellter Widerstand - Google Patents
Widerstandsmaterial und daraus hergestellter WiderstandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Widerstandsmaterial mit einem
abhängig vom elektrischen Stromdurchfluß sich verändern
den Widerstandsverhalten und einen unter Verwendung
dieses Widerstandsmaterials hergestellten Widerstand.
Es sind sich selbst regulierende elektrische Widerstände
bekannt, die auf dem Prinzip des PTC-Widerstandsverhaltens
basieren (PTC = positiver Temperatur Koeffizient). Bei
solchen Widerständen ist zumeist ein organisches Polymer
material mit leitfähigen Partikeln gefüllt. Diese Wider
stände erhöhen bei Überschreitung eines bestimmten
Betriebsstromes sprunghaft ihren Widerstandswert und
eignen sich daher als strombegrenzende bzw. stromunter
brechende Bauteile. Die Funktion der sprunghaften
Widerstandserhöhung wird zur Zeit in der Literatur als
Resultat der Wärmedehnung des Polymermaterials bei
erhöhtem Stromfluß und einer dadurch hervorgerufenen
Unterbrechung der Leiterkette aus sich berührenden,
stromleitenden Partikeln beschrieben (PTC-Verhalten).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Widerstands
materialien zu entwickeln und nachzuweisen, welche
abhängig vom elektrischen Stromdurchfluß selbstregulie
rend wirksam sind und bei einem vorbestimmten erhöhten
Stromdurchfluß sprunghaft ihren spezifischen elektrischen
Widerstand erhöhen, sowie die Herstellung von Wider
ständen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wider
standsmaterials, insbesondere als selbsttätig strom
begrenzende oder stromunterbrechende Bauelemente zu
schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Widerstandsmaterial mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Widerstand mit den
Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst. Weiterbildungen und
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen
angegeben.
Das erfindungsgemäße Widerstandsmaterial nutzt ein für
den genannten Zweck bisher nicht erkanntes Stoffgemisch
und unterliegt somit einem völlig neuartigen Prinzip.
Bei dem Gemisch aus einem piezoelektrisch wirksamen Stoff
und einem elektrisch leitfähigen Stoff handelt es sich
um ein elektrisches Widerstandsmaterial, dessen
spezifische Leitfähigkeit vor Ausführung seiner
eigentlichen Funktion maximal etwa im Bereich des
0,8fachen der spezifischen Leitfähigkeit des zu seiner
Herstellung anteilig verwendeten Leitermaterials liegt.
Durch Minderung des Anteils an Leitermaterial im Stoff
gemisch des Widerstandsmaterials läßt sich dessen
spezifische Anfangsleitfähigkeit beliebig absenken. Wird
das Widerstandsmaterial von Strom durchflossen, kommt es
ab einer bestimmten Stromschwelle zur Ausführung der
strombegrenzenden Eigenschaft und die Leitfähigkeit
bewegt sich bis zu einem Bereich, der für Isolatoren
gilt. Die strombegrenzende Reaktionszeit liegt, abhängig
von der Ausführungsform und Größe des Widerstandskörpers
und insbesondere von der Kristallkorngröße der im
Widerstandsmaterial anteilig enthaltenen piezoelektrischen
Substanz, weit unterhalb 250 Microsekunden und geht bis
in den Bereich unterhalb einer Nanosekunde. Bei einem
aus dem erfindungsgemäßen Widerstandsmaterial herge
stellten Widerstand handelt es sich um ein strombegren
zendes Bauelement, dessen Funktion von einem PTC-Verhal
ten unabhängig ist. Das Widerstandsmaterial arbeitet
auch bei Erwärmung erfindungsgemäß bis nahe der Curie-
Temperatur des zu seiner Herstellung anteilig verwendeten
piezoelektrischen Stoffes.
Die Erfindung und die Funktion des besonderen Wirkungs
prinzips wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung
näher erläutert.
Das Widerstandsmaterial besteht aus einem Stoff, der über
piezoelektrische Eigenschaften verfügt, beispielsweise
Bariumtitanat (IV) - Pulver, und einem leitfähigen
Stoff, beispielsweise Kupfer - Pulver. Diese beiden
Stoffe in Pulverform mit etwa gleicher Teilchengröße
werden ungefähr im Verhältnis 1 : 1 gemischt und sodann zu
einem Widerstandskörper geformt, beispielsweise durch
Verdichtung. In einem solchen Widerstandskörper liegen
die Teilchen der beiden Ausgangsstoffe so nebeneinander,
daß die elektrisch leitfähigen Teilchen sich untereinan
der berühren und diese auch die piezoelektrisch wirksamen
Teilchen teilweise oder ganz umschließen.
Eine solche Anordnung der Teilchen ist lediglich
schematisch in der einzigen Figur gezeigt, wobei die
flächenhafte statt der räumlichen Anordnung zur Erklärung
des Funktionsprinzips nebensächlich ist.
Mit L sind elektrisch leitende Teilchen bezeichnet, die
ein Teilchen mit piezoelektrischen Eigenschaften PZ
umgeben. Fließt ein Strom 1 durch den Widerstandskörper,
so entsteht ein Spannungsabfall ΔU entlang der leitenden
Teilchen L über eine wirksame Mindestweglänge, die der
streckenmäßigen Ausdehnung des benachbarten piezoelek
trischen Kristallits PZ entspricht. Dieser Spannungs
abfall erzeugt den reziproken piezoelektrischen Effekt
im bezeichneten Kristallit PZ, wodurch ein mechanisch
induzierter piezoelektrischer Effekt unter Ausbildung
eines elektrischen Polarisationsfeldes hoher Feldstärke
auftritt. Durch die Wirkung dieses Feldes in der Umgebung
der Piezo-Kristallite PZ werden in den angrenzenden
Leiterteilchen L Elektronen aus den inneren Schalen der
Leiteratome in deren Valenzorbitale gehoben, womit eine
Auffüllung des Leitfähigkeitsbandes einhergeht, so daß
ein Nichtleiter resultiert.
Der in dieser Erfindung vorgestellte Widerstand funktio
niert also nach einem insgesamt neuartigen Mechanismus,
der hier mit Elektro-Mechanischer-Feld-Mechanismus
(EMF) bezeichnet sei; der Widerstand wird bei einem
bestimmten Stromdurchfluß sprunghaft zum Nichtleiter und
verfügt daher über besonders gute strombegrenzende
Eigenschaften.
Nach Rücknahme der am hochohmig gewordenen Widerstands
material anliegenden Spannung auf einen Wert, der dem
Spannungsabfall am Widerstandsmaterial beim Betrieb vor
Ausführung der strombegrenzenden Funktion entspricht,
stellt sich der Ausgangszustand guter Leitfähigkeit nach
Sekunden bis Minuten wieder ein. Während dieser
Relaxationszeit findet im Widerstandsmaterial ein
Ausgleich der Polarisationsladungen innerhalb der
piezoelektrischen Kristallite statt.
Stoffe die über piezoelektrische Eigenschaften verfügen,
sind zum Beispiel Bariumtitanat (IV), ganz allgemein
Ferroelektrika mit Perowskit-Struktur, Quarz, Turmalin,
ganz allgemein Kristalle oder in Stoffen befindliche
Bereiche geordneter Molekülstruktur, die über kein
Symmetriezentrum verfügen bzw. deren Gitter polare Achsen
aufweist, teilkristalline Gläser, sowie Oxidkeramiken,deren
kristalline Bereiche bei der Herstellung willkürlich
verzerrt wurden. Stoffe mit elektrisch leitfähigen
Partikeln sind zum Beispiel Metalle, intrinsisch leit
fähige Polymere wie Polypyrrol, verkohlte Polymere wie
"Black Orlon", Ruß und homologe Kohlenstoffaggregate.
Die Stoffe werden gleichmäßig miteinander vermischt und
unter Anwendung von Druck zu einem Körper verdichtet,
oder zu einem Körper erschmolzen oder dazu versintert.
Der Zusammenhalt kann auch unter Zusatz eines Binders
bewirkt oder verstärkt werden, so daß ein Widerstands
körper entsteht, der mit zwei Elektroden versehen wird.
Die Elektroden können dann vom Körper umschlossen sein
oder ihn teilweise umschließen, oder permanent an diesen
Körper gedrückt werden. Sie können weiterhin mit
leitfähigem Klebstoff am Widerstandskörper befestigt
oder durch anschmelzen damit verbunden sein. Auch durch
zusammendrücken der Mischung in Pulverform können flächen
hafte Elektroden über diese Mischung leitend verbunden werden.
Auch können zwei Elektroden gemäß der vorgenannten Konfigu
rationen kapazitiv, d. h. über eine isolierende Schicht
angeschlossen werden, so daß über den Widerstand nur ein
Wechselstrom fließen kann.
Die gewünschte Funktion des Widerstandes bezüglich
Spannungs/Strom-Kennlinie und Verlustleistung ist durch das
Mischungsverhältnis zwischen piezoelektrischem Material und
elektrischem Leitermaterial, sowie deren jeweilige Kristallit-
bzw. Teilchengrößen einstellbar. Im Falle der Druckverfesti
gung der Mischung ist die vorgenannte Funktion auch durch
den Verfestigungsdruck, der in der Regel ein Zusammenfließen
des Leitermaterials bewirkt, einzustellen.
Die vorliegende Erfindung läßt die Herstellung von selbsttätig
strombegrenzenden bzw. stromunterbrechenden Bauteilen für
voraussichtlich sämtliche der in der Elektroindustrie
gefertigten Stromverbraucher zu. Die Anwendung des beschriebe
nen, neuartigen Wirkungsprinzips dürfte auch zur Herstellung
aktiver Bauelemente bis zu höchsten Frequenzen dienen.
Auch die Herstellung eines Hochtemperatur-Supraleiters
größer 20°C dürfte nach dem hier beschriebenen
neuartigen (EMF) Prinzip, der Erzeugung in mikros
kopischen Abständen aufeinanderfolgender starker
Polarisationsfelder entlang eines Stromleiters, gelingen.
Claims (30)
1. Widerstandsmaterial mit einem abhängig vom elektri
schen Stromdurchfluß sich verändernden Widerstandsver
halten, gekennzeichnet durch ein Gemisch von zumindest
zwei Stoffen, von denen der eine Stoff über piezoelek
trische Eigenschaften verfügt und der andere Stoff
elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, und Teilchen
beziehungsweise Körner der beiden Stoffe in dem Gemisch
derart verteilt nebeneinander vorliegen, daß über die
elektrisch leitenden Teilchen nach Verdichtung des
Gemisches ein Strom fließen kann, und diese die piezo
elektrisch wirksamen Teilchen ganz oder teilweise
umschließen.
2. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein Titanat, beispielsweise Bariumtitanat
(BaTiO3 (IV)) ist.
3. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein Zirkonat, beispielsweise Bleizirkonat
(PbZrO3) ist.
4. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein Niobat, beispielsweise Bariumniobat
(BaNbO3) ist.
5. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein Stannat, beispielsweise Bleistannat
(PbSnO3) ist.
6. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ganz allgemein ein kristalliner Stoff mit
Perowskit-Struktur, beispielsweise aus chemischen
Verbindungen der Formel ABO3 mit A = Pb, Ca, Ba und
B = Ti, Zr, Nb, Sn ist.
7. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften eine chemische Verbindung des Typs
MII 2MIIIRuO6 mit mII = Element der 2. Hauptgruppe und
MIII = Element der 3. Hauptgruppe des Periodensystems,
beispielsweise Ba2LaRuO6 ist.
8. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ganz allgemein polykristallin ist und
dessen Kristalle oder Zonen mikroskopischer Fernordnung
über kein Symmetriezentrum verfügen.
9. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein natürliches oder synthetisches
Mineral, beispielsweise Quarz oder Turmalin ist.
10. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften eine Oxidkeramik ist.
11. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften eine Oxidkeramik, der die piezoelektri
schen Eigenschaften bei der Herstellung willkürlich
aufgeprägt wurden, beispielsweise eine Blei-Zirkonat-
Titanat enthaltende Keramik, ist.
12. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein Phosphat, beispielsweise Kalium
dihydrogenphosphat (KH2PO4) ist.
13. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ein Salz, dessen Kristalle über kein
Symmetriezentrum verfügen, beispielsweise Lithiumsulfat
oder Ethylendiamintartrat, ist.
14. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ganz allgemein kristallin ist und dessen
Kristallgitter polare Achsen aufweist.
15. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen
Eigenschaften ganz allgemein ein teilkristallines Glas
mit einem kristallinen Anteil von mindestens 10% ist.
16. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit
den elektrisch leitenden Eigenschaften ein Metall,
beispielsweise Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Blei ist.
17. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften eine Metallegierung,
beispielsweise Zinn/Blei oder Kupfer/Zink ist.
18. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften eine n-dotierte
organische Metallkomplexverbindung, beispielsweise ein
Metallo-Porphyrin ist.
19. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften eine metallorganische
Verbindung, beispielsweise ein oligomeres oder polymeres
Butylantimonid ist.
20. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften ein n-leitend
dotierter Halbleiter, beispielsweise n-leitend dotiertes
Germanium ist.
21. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften ein intrinsisch
leitendes Polymer, beispielsweise Polypyrrol ist.
22. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften ein verkohltes
Polymer, beispielsweise "Black-Orlon" ist.
23. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den
elektrisch leitenden Eigenschaften ein Ruß oder Graphik
oder homologes molekulares Kohlenstoffaggregat oder
ganz allgemein leitfähiger Kohlenstoff ist.
24. Elektrischer Widerstand mit abhängig vom Strom
durchfluß sich sprunghaft änderndem Widerstandswert,
gekennzeichnet durch die Verwendung des Widerstands
materials nach einem der Ansprüche 1 bis 23, in welchem
die gleichmäßig durchmischten Stoffteilchen des
Widerstandsmaterials zu einem Körper mit ausreichender
Festigkeit verbunden sind und der Körper seinerseits
mit zwei Elektroden für den elektrischen Stromanschluß
versehen ist.
25. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials unter
Anwendung von Druck zu einem Körper verdichtet sind.
26. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zu einem
Körper verschmolzen sind.
27. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zu einem
Körper versintert sind.
28. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials unter
Zusatz eines Bindemittels zusammengehalten oder in
ihrem Zusammenhalt verstärkt sind.
29. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zwischen
zwei flächenhaften Elektroden, die federnd gegeneinander
drücken, permanent zusammengedrückt werden.
30. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials unter
Zusatz eines Bindemittels und Anwendung von Druck zu
einem Körper verdichtet sind.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
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