DE69015136T2 - Aufbau eines elektrischen Leiters. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leiteranordnung, die einen Bandleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 umfaßt.
• Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine neue elektrische Leiteranordnung mit einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit durch Ausnutzen von Hallstromeffekten. Die elektrische Leitfähigkeit der elektrischen Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch Erhöhen der Elektronenflußgeschwindigkeiten sowohl in der Longitudinal- als auch in der Transversal-Richtung des Bands in Gegenwart eines externen oder selbst erzeugten magnetischen Feldes gegenüber dem herkömmlichen Bandleiter der gleichen Größe verbessert.
• Bei herkömmlichem Kupfer-Draht oder -Band, das in Solenoiden von Elektromagneten, Elektromotoren und anderen elektrischen Vorrichtungen verwendet wird, ist der Strombetrag durch das Ohm'sche Gesetz begrenzt, über das hinaus keine Verbesserung machbar ist.
• Gegenwärtig wird eine wesentlich verbesserte elektrische Leitfähigkeit durch die Verwendung von Supraleitern, die bei Tiefsttemperaturen unter 4ºK oder im Bereich von 70 bis 120ºK arbeiten, erreicht, jedoch ist derartiges bei Raumtemperatur gegenwärtig nicht verfügbar. Die industrielle Anwendung von keramischen Supraleitern im Bereich von 70 bis 120ºK ist noch Jahre entfernt.
• Wenn beim Bilden des Solenoids Supraleiter verwendet werden, wird die Anordnung für Tiefsttemperaturkühlung, wie z.B. Röhren, Pumpen, Ventile, Dewars-Gefäße usw., benötigt, was übermäßige Instandhaltungskosten zur Folge hat. Ferner existieren bei der kritischen Temperatur zusätzliche Probleme, wie z.B. Quenching.
• In Computer-Chips kann die Elektronengeschwindigkeit durch Ändern des Halbleitermaterials erhöht werden, d.h. durch Wechseln von einem Si- zu einem GaAS-Bauelement, um schnellere logische Gatteroperationen zu erhalten. Jedoch existiert für eine gegebene Chip-Technologie kein Mittel, um die Elektronenflußgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die potentielle Verwendung von sogenannten "ballistischen Elektronen" wurde erörtert, jedoch hat keine Entwicklungsarbeit stattgefunden. Beginnend beim oben genannten Stand der Technik, basiert die vorliegende Erfindung auf der Aufgabe des Schaffens einer elektrischen Leiteranordnung mit einer verglichen mit bekannten elektrischen Leiteranordnungen der gleichen Größe verbesserten Leitfähigkeit.
• Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Leiteranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit den Merkmalen, die im charakteristischen Abschnitt des Anspruchs 1 angegeben sind, gelöst.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die elektrische Leiteranordnung mit dem Bandleiter eine Mehrzahl von Hallstrombrücken, die sich diagonal von einer Kante des Bands über seine Hauptoberfläche zu der anderen Kante des Bands erstrecken, wobei sie beide Kanten des Bands miteinander verbinden, welche bezüglich der Hauptoberfläche des Bands isoliert sind, und eine Einrichtung zum Erzeugen oder Verwenden eines magnetischen Feldes, das sich im wesentlichen senkrecht bezüglich der Hauptoberfläche des Bandleiters erstreckt.
• Der erfundene Entwurf spezifiziert eine Modifikation des Bandleiters durch Hinzufügen einer Reihe von diagonal-positionierten, parallelen obenliegenden Brücken, die von der Bandoberfläche isoliert sind und sich als die "Hallstrom-Absaug- und -Wiederherstell"-Vorrichtung von der Elektronenabsaugkante zu der Elektronenverarmungskante erstrecken. Eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit tritt im Beisein eines externen oder eines selbsterzeugten magnetischen Feldes, das senkrecht zu der Bandoberfläche positioniert ist, auf. Sind die (Absaug- und Wiederherstell-)Brücken installiert, fahren die Elektronen, die entlang des Bands wandern, fort, sich transversal zu der Absaugkante hinzubewegen und kehren dann über die Brücken zu der Verarmungskante zurück. Die kombinierte transversale Elektronengeschwindigkeit, die die Komponenten der Elektronengeschwindigkeiten auf dem Band und auf den Brücken in die transversale Richtung des Bands kombinieren, können zu der Verarmungskante hin positiv gemacht werden, indem ein geeigneter Längsneigungswinkel für die Brücken gewählt wird. Unter dieser Gruppe von Bedingungen können die kombinierten Elektronengeschwindigkeiten sowohl entlang der longitudinalen als auch der transversalen Richtung des Bands als eine Funktion der magnetischen Feldstärke erhöht werden. Die höheren Elektronengeschwindigkeiten werden in eine höhere elektrische Leitfähigkeit übertragen, es sei z.B. Seite 173, C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 5th ed., John Wiley, New York, 1976, verglichen.
• Es sei angenommen, das magnetische Feld ist derart angelegt, daß es von der Bandoberfläche aus nach oben zeigt. Auf dem Band bewegen sich die Elektronen mit einer Transversalgeschwindigkeit, die die Differenz zweier Faktoren ist, der eine proportional zu dem realisierten transversalen Potential und der andere proportional zu der longitudinalen Elektronengeschwindigkeit und der magnetischen Feldstärke, zu der Absaugkante hin. Die longitudinale Elektronengeschwindigkeit ist als die Summe zweier negativer Faktoren gegeben, der erste Faktor ist proportional zu dem longitudinalen Potential, und der zweite Faktor ist proportional zu der transversalen Elektronengeschwindigkeit und der magnetischen Feldstärke. Auf den Brücken ist die longitudinale Richtung gegenüber der transversalen Richtung des Bands um den Längsneigungswinkel der Hallstrombrücken geneigt. Aus diesem Grund kann die transversale (bezüglich des Bands) Komponente des Elektronengeschwindigkeitsvektors auf der Brücke ein entgegengesetztes Vorzeichen und einen größeren Betrag als die transversale Bandelektronengeschwindigkeitskomponente annehmen. Die kombinierte transversale Elektronengeschwindigkeit wird erhalten, indem diese transversalen (bezüglich des Bands) Elektronengeschwindigkeitskomponenten unter Verwendung der Gewichtungsfaktoren, die proportional zu der Anzahl der Elektronen auf dem Band und auf den Brücken sind, kombiniert werden. Die kombinierte longitudinale Elektronengeschwindigkeit kann auf die gleiche Weise erhalten werden. Wenn eine positive kombinierte transversale Elektronengeschwindigkeit (zu der Elektronenverarmungskante hin) erhalten wird, ist die kombinierte longitudinale Elektronengeschwindigkeit um einen Faktor, der proportional zu der kombinierten transversalen Elektronengeschwindigkeit und zu der magnetischen Feldstärke ist, erhöht.
• Im Falle eines selbsterzeugten Magnetfelds bewirkt das Anwachsen des longitudinalen Stroms ein entsprechendes Anwachsen der Stärke des selbsterzeugten Magnetfelds. Wenn die Feldstärke zunimmt, nimmt die kombinierte transversale (positiv zu der Verarmungskante hin) Elektronenflußgeschwindigkeit zu. Folglich nimmt auch die kombinierte longitudinale Elektronengeschwindigkeit zu. Die Spiralkette setzt sich solange fort, wie die kombinierte transversale Elektronengeschwindigkeit zu der Verarmungskante hin positiv bleibt. Theoretisch kann sich der Zyklus unbegrenzt fortsetzen, mit der Ausnahme einiger physikalischer Begrenzungen. Dieses eindeutige Merkmal ermöglicht nutzbringende Anwendungen auf Elektromagneten und Transformatoren.
• Die Erfindung kann ferner auf die integrierte Schaltungstechnologie (IC-Technologie; IC = Integrated Circuit) angewendet werden. Das Äquivalent des modifizierten Bandleiters kann ohne weiteres auf Verbindungen zwischen aktiven Elementen von ICs hergestellt werden, um die Elektronenflußgeschwindigkeiten in ICs zu erhöhen. Logische Elemente können dann mit einer schnelleren Taktrate arbeiten, als dies bei herkömmlichen ICs möglich ist.
• Die Vorteile, die diese Erfindung liefert, liegen im verbesserten Verhalten der Einrichtung beim Gebrauch. Im Fall der Verwendung eines selbsterzeugten Magnetfelds, wie bei einem Elektromagneten zu sehen ist, erzeugt der erhöhte Elektronenfluß ein stärkeres Magnetfeld, welches wiederum den Stromfluß weiter erhöht. Der zyklische Prozeß des Stromflußanwachsens verspricht eine Möglichkeit des Erreichens eines extrem starken Elektromagneten, der bei Raumtemperatur arbeitet. Ein derartiger Elektromagnet kann nicht das Verhalten eines Supraleiter-Magneten erreichen, erfordert jedoch keine Tiefsttemperaturkühlung. Z.B. können die verbesserten Elektromagneten geeignet verwendet werden, um das Schweben und den Vortrieb von magnetisch schwebenden Fahrzeugen zu realisieren, ohne nennenswerte Instandhaltungskosten zu erfordern. Wenn die elektrische Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung auf Verbinder integrierter Schaltungen angewendet wird und unter einem extern angelegten Magnetfeld verwendet wird, kann die Elektronenflußgeschwindigkeit durch aktive logische Elemente der ICs erhöht werden, wodurch schnellere Gatteroperationen in einem viel größeren Maße als bei der Verwendung von "ballistischen Elektronen" möglich werden.
• Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bezüglich der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1(a) bis 1(d) die elektrische Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung von oben, als ein Querschnitt, von der Seite und als eine obere perspektivische Ansicht;
• Fig. 2 und 3 erläuternde Ansichten der Herstellungsschritte der Hallstrombrücken;
• Fig. 4 einen Solenoid, der die erfinderische elektrische Leiteranordnung einschließt; und
• Fig. 5(a) bis 5(c) erläuternde Ansichten der Herstellungsschritte einer erfinderischen elektrischen Leiteranordnung als eine Verbindung in integrierten Schaltungen.
• Gemäß den Fig. 1(a) bis 1(d) umfaßt die elektrische Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Bandleiter 1 und eine Mehrzahl von Hallstrombrücken 2, die sich diagonal von einer Kante 4 des Bands 1 über seine Hauptoberfläche 3 zu der anderen Kante 5 des Bands 1 erstrecken, um dadurch beide Kanten 4, 5 des Bands 1 miteinander elektrisch zu verbinden. Die Hallstrombrücken 2 sind bezüglich der Hauptoberfläche 3 des Bands isoliert.
• Wie aus Fig. 1(b) gesehen werden kann, sind die Hallstrombrücken 2 auf der Hauptoberfläche des Bands 1 angeordnet. Für Wechselstromanwendungen kann ein ähnlicher Satz von Hallstrombrücken der entgegengesetzten Längsneigungswinkel auf der rückseitigen Oberfläche 6 des Bands 1 hergestellt sein.
• Wie aus Fig. 1(d) gesehen werden kann, stellt die x-Achse die longitudinale Stromflußrichtung dar, die y-Achse die transversale Hallstromflußrichtung auf dem Band 1 dar und die z-Achse zeigt die Ausrichtung eines angelegten Magnetfelds. Die Hallstrombrücken 2, die als Absaug- und Wiederherstell-Brücken arbeiten, erscheinen als die diagonalen Streifenleiter, die die beiden Kanten 4, 5 des Bands elektrisch verbinden. Die Ausrichtungen der Elektronengeschwindigkeitsvektorkomponenten sind ebenfalls auf einer der Brücken 2 ebenso wie auf dem Band 1 gezeigt.
• Die Fig. 2 und 3 sind erläuternde Darstellungen, die das Verfahren zeigen, durch das die Brücken 2 der elektrischen Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Leitermetallröhre 7 hergestellt werden können, indem Ausschnitte 8 erzeugt werden und die Röhre nachfolgend abgeflacht wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Leitermetallröhre 7 eine Kupferröhre mit einem Radius r und einer gewünschten Dicke, die später zum Herstellen eines Bandleiters (nicht in den Fig. 2 und 3 gezeigt) mit einer Breite, die etwa gleich 3r ist, verwendet wird. Gemäß Fig. 2 werden diagonale Ausschnitte 8 in Richtung von rechts oben nach links unten auf der Röhre 7 erzeugt, etwas über die Hälfte der Röhrentiefe. Der Neigungswinkel der diagonalen Ausschnitte 8 kann gewählt werden, um ein optimiertes Verhalten des Elektronenflusses, basierend auf experimentellen Ergebnissen, zu erhalten.
• Danach wird die Röhre 7 auf die flache Form, die in Fig. 3 gezeigt ist, abgeflacht, wodurch die ununterbrochene Seite der Röhre 7 ein durchgehendes Band 1' bildet, wobei die Kanten 4', 5' derselben durch Brücken 2' diagonal verbunden sind. Es sollte bemerkt werden, daß die Brücken 2' zu Isolationszwecken von der Oberfläche des Bands 1' getrennt sein müssen.
• Gemäß Fig. 4 umfaßt ein elektromagnetisches Bauelement in der Form eines Elektromagneten oder Transformators 10 einen ferromagnetischen Kern 11, auf dem die erfinderische elektrische Leiteranordnung 12 derart gewickelt ist, daß die Bandoberfläche 13 senkrecht zu der Oberfläche des ferromagnetischen Kerns 11 gehalten ist. Eine isolierende Einlage 14 ist zwischen den Hauptoberflächen benachbarter Windungen der erfinderischen elektrischen Leiteranordnung 12 angeordnet.
• Für die geraden Abschnitte der Windung werden Segmente des Band 12, das in der vorher beschriebenen Art und Weise hergestellt ist, verwendet. Für die Ecken können gebogene Einlagen entweder des flachen Bands oder der elektrischen Leiteranordnung 12 mit dem erfinderischen Entwurf mit Hallstrombrücken 15 verwendet werden und elektronengeschweißt werden, um ein durchgehendes Spiralband zu bilden.
• Die Spiralwicklung 12 des modifizierten Leiters wird dann an die Bandeinlagen 14 angepaßt, die aus ferromagnetischen Materialien bestehen, wobei jede in einen selbstgeformten Querschnitt gegossen und mit isolierenden Oberflächen bedeckt ist. Die Bandeinlagen 14 sind in bequeme Längen segmentiert, die zur Vereinfachung des Einfügens gewählt sind, während die einzelnen Stücke in gleichförmige Formen gegossen sind, die für die Wicklung des Leiters 12 geeignet sind. Das angepaßte Paket wird dann um den Kern 11 herum plaziert.
• Viel breitere oder schmälere modifizierte Bandleiter können in den wiederholten Wicklungen, die bei den meisten der Stromsolinoidentwürfe gesehen werden können, verwendet werden. Die ferromagnetischen Bandeinlagen 14 wirken als aktive Teile des Kerns 11 bei der Selbsterzeugung des Magnetfelds und stellen die Durchdringung des erzeugten magnetischen Felds durch das modifizierte Leiterband sicher. Die gesamte Anordnung der Leiterwicklung 12 mit den angepaßten Einlagen 14 kann in ein Kühlungsölbad eingetaucht sein, um die Hitze, die während des Betriebs des erfinderischen Elektromagnetkern-Bauelements erzeugt wird, abzuleiten.
• Nachfolgend ist ein Verfahren zur Herstellung der erfinderischen elektrischen Leiteranordnung als eine Verbindung für integrierte Schaltungen bezugnehmend auf die Fig. 5(a) bis 5(c) beschrieben.
• Gemäß Fig. 5(a) werden eine Mehrzahl von parallelen diagonalen Streifen 16 eines leitfähigen Metalls auf einem Halbleitersubstrat 17 der integrierten Schaltung abgeschieden, wobei die Ausrichtung für eine gegebene Breite zur Trennung von rechts oben nach links unten ist. Gemäß Fig. 5(b) wird danach ein Isolationsmaterial 18 auf dem mittleren Teil der diagonalen Streifen 16 abgeschieden, wobei beide Metallenden 19, 20 exponiert bleiben. Nachfolgend wird gemäß Fig. 5(c) ein leitfähiges Metall 21 abgeschieden, um die gesamte Reihe der Streifen 16 zu bedecken, wobei sichergestellt wird, daß die exponierten Enden 19, 20 der diagonalen Streifen 16 sicher bedeckt sind. Wenn es erwiesenermaßen notwendig ist, kann das Produkt auf eine spezifizierte Temperatur erhitzt werden und bei einer spezifizierten Kühlrate ausgeheilt werden, um eine Kristallisation zu unterstützen.

Claims (13)

1. Elektrische Leiteranordnung mit einem Bandleiter (1), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

eine Mehrzahl von Hallstrombrücken (2), die sich diagonal von einer Kante (4) des Bandleiters (1) über seine Hauptoberfläche (3) zu der anderen Kante des Bandleiters (1) erstrecken, wobei sie beide Kanten (4, 5) des Bandleiters (1) miteinander verbinden und bezüglich der Hauptoberfläche (3) des Bandleiters (1) isoliert sind; und

eine Einrichtung zum Erzeugen oder Verwenden eines magnetischen Feldes, das sich im wesentlichen senkrecht bezüglich der Hauptoberfläche (3) des Bandleiters (1) erstreckt.

2. Elektrische Leiteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallstrombrücken (2) auf beiden Hauptoberflächen (3, 6) des Bandleiters (1) angeordnet sind.

3. Elektrische Leiteranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld durch die Anregung des Stroms durch die elektrische Leiteranordnung selbst selbsterzeugt ist.

4. Elektrische Leiteranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung eine externe Quelle eines Magnetfeldes ist.

5. Elektromagnetische Vorrichtung mit einer elektrischen Leiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leiteranordnung (12) auf einem Nagnetkern (11) gewickelt ist, so daß die Hauptoberfläche der elektrischen Leiteranordnung (12) senkrecht zu der Oberfläche des Magnetkerns (11) ist.

6. Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß eine isolierende Einlage (14) zwischen den Hauptoberflächen (13) der benachbarten Ströme der elektrischen Leiteranordnung (12) angeordnet ist.

7. Elektromagnetische Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die isolierenden Einlagen aus ferromagnetischen Materialien bestehen, die mit einer isolierenden Oberfläche bedeckt sind.

8. Ein Verfahren zum Erhöhen des Elektronenflusses und zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit in einem elektrischen Bandleiter (1), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Schaffen einer Mehrzahl von parallelen Hallstrombrücken (2), die den Bandleiter (1) von einer Kante (4) zu der anderen (5) überspannen,

elektrisches Verbinden der Kanten (4, 5),

Beabstanden der Brücken (2) von der Oberfläche des Bandleiters (1) und von benachbarten Brücken (2), und

Anlegen eines Magnetfeldes entlang der Richtung, die senkrecht zu der Bandoberfläche ist.

9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch das Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit und das Anwachsen der Elektronenflußgeschwindigkeit durch Absaugen von Elektronen, die zu einer Bandkante wandern, und Transportieren der abgesaugten Elektronen zu der anderen Bandkante über die Brücken (2), wenn ein magnetisches Feld in die Richtung, die senkrecht zu der Bandoberfläche ist, angelegt ist.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch das Isolieren der Brücken (2) von der Oberfläche des Bandleiters (1).

11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch das Isolieren der Brücken (2) von benachbarten Brücken (2).

12. Ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Leiteranordnung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Auswählen einer gewünschten Röhrenlänge;

winkelförmiges Ausschneiden und Entfernen paralleler Segmente von einer Seite der Röhre, wobei abwechselnd Streifen und Lücken im wesentlichen gleicher Breite belassen werden;

Abflachen der Röhre, um einen elektrischen Bandleiter (1) mit einer flachen oberen und unteren Oberfläche zu bilden, wobei jede Leiste nahe dem Band ist, jedoch das Band nur an jedem Ende des Bands kontaktiert;

dadurch Bilden einer Mehrzahl von parallelen Hallstrombrücken (2), die das Band von einer Kante zu der anderen überspannen und elektrisch mit den Kanten des Bands (1) verbunden sind.

13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch das Einfügen von Isolationsitaterial zwischen die Leisten und das Band.