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Temperaturabhängiger Leiter Es ist bekannt, daß fast alle elektrischen
Leiter ihren spezifischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändern,
und zwar entweder mit zunehmender Temperatur verringern oder vergrößern. Eine sogenannte
positive Temperaturabhängigkeit, wobei der Widerstand mit zunehmender Temperatur
zunimmt, haben beispielsweise die Metalle, worunter Eisen eine Sonderstellung einnimmt
insofern, als bei diesem der Widerstand bis etwa auf den rofachen Anfangswert gesteigert
werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht :in der Schaffung von
Leitern mit positiv temperaturabhängigem Widerstand, und zwar solchen, bei denen
der Umfang der Widerstandsänderung sehr groß ist, und solchen, bei denen eine beachtliche
Widerstandsänderung -wenigstens innerhalb bestimmter Temperaturintervalle - bereits
bei sehr geringen Temperaturänderungen eintritt. Nach der Erfindung werden hierzu
Leiter, deren Leitfähigkeit auf Ionenleitung beruht, also beispielsweise flüssige
Elektrolyte, verwendet, wobei die Leiter unter erhöhtem statischem Druck verwendet
werden. Hierbei kann. die Änderung der Temperatur je nach Bedarf entweder durch
Fremdheizung erfolgen oder aber auch durch die Erwärmung, die durch die Strombelastung
des Leiters hervorgerufen ist. Gegebenenfalls können auch beide Effekte miteinander
kombiniert werden. Ebenso ist es auch möglich, den Leiter - gewissermaßen als Vorspannung
-zunächst auf einen bestimmten statischen Druck zu bringen und den Druck, abgesehen
von der Rückwirkung,
die durch die Temperaturänderung ihrerseits
bedingt wird, nicht zu beeinflussen. Unter Umständen kann es aber auch von Vorteil
sein, während der Temperaturänderung bzw. während der beabsichtigten Widerstandsänderung,
z. B. während eines Regelvorgangs, den Druck konstant zu halten oder auch den statischen
Druck durch andere Einflüsse zu ändern.
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Unter Atmosphärendruck gehören flüssige Elektrolyte im allgemeinen
zu Leitern. mit negativ temperaturabhängiigem Widerstandskoeffizient. Bei der Erwärmung
unter erhöhtem Drück wird jedoch der Widerstandskoeffizient positiv. Der Druck wird
hierbei mit Vorteil so gewählt, daß wenigstens innerhalb des größten Teils des Arbeitsbereichs
die Flüssigkeit nicht siedet. Mit Vorteil wird der Druck so bemessen, daß am Ende
des Arbeitsbereichs bei der kritischen Temperatur auch der kritische Druck erreicht
wird. Der Verlauf des Widerstandes eines derartigen Leiters in Abhängigkeit von
der Temperatur bei konstantem Druck geht zunächst nach unten, erreicht als Umkehrpunkt
ein ausgeprägtes Minimum, steigt dann allmählich an, bis bei der Annäherung der
Temperatur an Werte in der Nähe der kritischen Temperatur eine sehr starke Steigerung
des Widerstandes einsetzt. Eine besonders hohe Gesamtänderung des Widerstandes,
z. B. bis auf etwa das ro ooofache des Anfangswertes, kann also erreicht werden,
wenn die Temperatur, von niedrigen Werten ausgehend, bis auf die kritische Temperatur
bei kritischem Druck, z. B. bis roo Atm. und noch mehr, je nach verwendetem Elektrolyt,
gesteigert wird. Für viele Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, die Anordnung durch
entsprechende Auswahl des Elektrolyts, dessen Konzentration sowie des, Ausgangsdrucks
dafür zu sorgen, daß das Minimum des Widerstandes etwa bei Zimmertemperatur liegt.
Als Leiter kommen solche Leiter in Betracht, bei denen die Leitfähigkeit nicht auf
Elektronenleitung; sondern auf Ionenleitung beruht. Hierzu können zweckmäßig flüssige
Salze, z. B. in geschmolzenem Zustand; oder Salze in Lösungen verwendet werden.
Die Verwendung von wäßrigen Lösungen bietet hierbei den Vorteil, daß die Leitfähigkeit
verhältnismäßig hoch ist, jedoch liegt hierbei der kritische Druck gleichfalls verhältnismäßig
hoch. Salze in nichtwäßrigen Lösungen haben den Vorteil, daß der kritische Druck
verhältnismäßig niedrig liegt. Einen besonders niedrigen kritischen Druck hat beispielsweise
Schwefeldioxyd, worin Alkalisalze, insbesondere Nätriumsalze, gelöst sein können.
Mit Vorteil können beispielsweise Lösungen von Na J, K J, KBr, K Cl in Schwefeldioxyd
verwendet werden. Der Leiter wird mit besonderem Vorteil innerhalb eines Behälters
aus nichtleitendem oder verhältnismäßig schlecht leitendem Material von der erforderlichen
Druckfestigkeit untergebracht. Er kann beispielsweise in einem Rohrkörper aus keramischem
Material angeordnet sein. Unter Umständen. ist es zweckmäßig, die Festigkeit eines
solchen Behälters durch Schutzhüllen, die beispielsweise aus Metall, . Bandagen,
Rohren, Stahlmänteln u. dgl. bestehen können, zu steigern. Innerhalb dieser Behälter
kann der Elektrolyt unter dem erforderlichen Druck (Vorspannung) eingefüllt sein,
wobei durch geeignete, in das Gefäß eingeführte Elektroden für die Stromzuführung
gesorgt wird. Um zu verhindern, daß Teile der Elektroden in dem Elektrolyt in Lösung
.gehen und dadurch dessen Leitfähigkeit verändern, kann es zweckmäßig sein, die
Elektroden aus Kohle oder Graphit oder ähnlichem Material zu machen. Es ist auch
möglich, besondere Mittel, beispielsweise nach Art von verschiebbaren Kolben, anzuordnen,
mit deren Hilfe der Druck nachträglich oder während der Steuer- oder Regelvorgänge
zusätzlich beeinflußt werden kann. Außerdem ist es möglich, besondere Heizeinriclitungen
bzw. Kühleinrichtungen für die Änderung der Temperatur vorzusehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Innerhalb eines Hohlkörpers, der aus zwei keramischen Teilen a gebildet wird, die
ihrerseits über einen elastischen Teil 3 miteinander verbunden sind und in die zu
den beiden Seiten Elektroden q. eingeführt sind, ist die E,lektrolytfüllung 5 eingebracht.
Die Hohlkörper können hierbei zur Vergrößerung des Kriechweges mit Ionenbarrieren
6 versehen sein. Die Verbindung der einzelnen Teile erfolgt mit Vorteil durch Löten
oder Schweißen, evtl. an aufgebrachten Metall- öder Glasüberzügen, in der Weise,
wie dies für hochvakuumdichte Behälter bekanntgeworden ist. Die Füllung wird hierbei
zweckmäßig von vornherein auf den kritischen Druck gebracht, der dann über den ganzen
Arbeitsbereich infolge der Elastizität des Balgen.s 3 pra'ktisc'h konstant aufrechterhalten
bleibt.
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Die Widerstände auf der neuen Grundlage eignen sich für viele Verwendungszwecke,
insbesondere für Regelvorgänge. So kann beispielsweise mit Hilfe derartiger Widerstände
ein elektrischer Strom in einem Stromkreis vor einer Unterbrechung auf geringe,
leicht zu unterbrechende Restwerte herabgedrückt werden. Besonderen Vorteil bietet
ein derartiger Leiter als Widerstand für Regel-und Unterbrechungseinrichtungen,
bei denen ein im wesentlichen ohmscher Widerstand zum Abschalten von Normallasten
in der Nähe eines Stromnulldurchganges bzw. zum Abschalten von Überlast bei einem
im Verhältnis zum Scheitelwert des zu beeinflussenden Stromes kleinen Augenblickswert
durch lichtbogenarme oder lichtbogenfreie Mittel in weniger als einer Halbwellendauer
in dem Stromkreis derart - z. B. durch Vergrößerung des wirksamen Wertes um mehrere
Zehnerpotenzen -wirksam gemacht wird, daß noch vor dem Eintritt des nächsten Stromscheitelwertes
ein zu dessen wesentlicher Verringerung ausreichender Widerstandsbetrag vorhanden
ist. Solche Widerstandskörper können dann mit Hilfe von Parallelschaltern in Stromkreise
eingeschaltet werden, wobei unter Umständen .eine Synchronsteuerung entweder im
Hinblick auf den Normalstrom zweckmäßig sein kann oder ein Einbringen mit möglichst
geringer Verzögerung beim Auftreten von Kurzschlüssen.
Bei derartigen
Anwendungen bietet es besondere Vorteile, die Erwärmung des Widerstandes durch den
Belastungsstrom selbst hervorzurufen. Wenn 'hierbei das Minimum des spezifischen
Widerstandes in der Nähe der Zimmertemperatur liegt, wird zunächst die Spannung
am Widerstand sehr langsam, dann aber sehr schnell ansteigen, was sowohl die Einschaltung
des Widerstandes in den Stromkreis als auch eine etwa erforderliche nachfolgende
Reststromunterbrechung erheblich erleichtert.
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Die neuen Leiter können auch für eine selbsttätige Konstanthaltung
von elektrischen Größen, wie beispielsweise Regelung einer Spannung auf konstanten
Wert, verwendet werden. Auch ist es möglich, die neuen Leiter als Ersatz für Drosselspulen
zu verwenden, da insbesondere bei Anordnungen mit verhältnismäßig geringer Wärmeträgheit
beim plötzlichen Stromanstieg eine starke Widerstandserhöhung eintritt, also eine
ähnliche, plötzlichen Stromänderungen entgegenarbeitende Wirkung eintritt wie bei
Drosselspulen.
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Da der spezifische Widerstand der Elektrolyte verhältnismäßig hoch
ist - etwa in der Größenordnung von ioo Ohm - cm - ist für geringe Widerstandswerte,
wie sie beim Einschalten eines Parallelschalters in einen Hochleistungsstromkreis
erforderlich sind, entweder ein verhältnismäßig großer Flüssigkeitsquerschnitt oder
ein sehr geringer Elektrodenabstand erforderlich. Je kurzzeitiger die Belastung
des Widerstandes ist, um so geringer kann die verwendete Flüssigkeitsmenge bemessen
werden. Bei größerer Flüssigkeitsmenge wird aber andererseits der Vorteil erreicht,
daß die Spannung am Widerstand langsam ansteigt, so daß ein Parallelschalter, durch
dessen Öffnung der Leiter in den Stromkreis gebracht wird, ohne Schwierigkeit und
ohne besondere Hilfsmittel für eine Lichtbogenlöschung geöffnet werden kann. Ein
besonderer Vorteil der neuen temperaturabhängigen Leiter besteht darin, daß in Kurzschlußfällen
die Erwärmung und damit die Widerstandsänderung in viel kürzerer Zeit vor sich geht
als bei normalen Belastungen, wodurch es möglich ist, den Kurzschlußstrom sehr schnell
auf ungefährliche geringe Werte zu begrenzen. Die Steuerung und Einschaltung des
Widerstandes können hierbei auf beliebige Weise, z. B. wie bei den obengenannten
Regel- und Unterbrechungseinrichtungen, erfolgen.
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Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, die Anordnung so zu bemessen,
d.aß der Elektrolyt bei dem Erwärmungsvorgang verdampft, wodurch auch die Reststromunterbrechung
selbst mit Hilfe des neuen Leiters durchgeführt werden kann, so daß es lediglich
noch erforderlich ist, eine etwa in Reihe hiermit angeordnete Trennstrecke zu öffnen.
Bei wiederholt ablaufenden Regelvorgängen ist auch das Kühlproblem wichtig. Hierzu
kann beispielsweise eine Umlaufkühlung verwendet werden, wobei der Elektrolyt selbst
umläuft und dadurch schnell wieder auf die erforderliche geringe Temperatur gebracht
wird. Unter Umständen kann die Kühlung durch Expansion, beispielsweise mit Hilfe
eines Ventils, wirksam unterstützt werden, da die Verdampfungswärme sehr groß ist,
also zur Abkühlung nur verhältnismäßig geringe Flüssigkeitsmengen benötigt werden.
Es ist auch möglich, eine Fremdkühlung für die Leiter vorzusehen, die mit Vorteil
abwechselnd mit den Regelvorgängen in Wirksamkeit gesetzt werden kann. Im Bedarfsfall
kann auch die Verringerung des Widerstandes, die bei der Abkühlung eintritt, selbst
für Regelvorgänge ausgenutzt werden. Wenn es darauf ankommt, bei verhältnismäßig
geringen Temperaturänderungen große Widerstandsänderungen hervorzurufen, wird mit
Vorteil der Arbeitsbereich etwa in die Mitte zwischen kritische Temperatur und die
Temperatur, bei der der geringste Widerstand besteht, gelegt, da an dieser Stelle
der Gradient der Änderung des Widerstandes am steilsten ist.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf das dargestellte
Ausführungsbeispiel und nicht auf die angegebenen Möglichkeiten beschränkt, sondern
bietet in allen Verwendungsfällen große Vorteile, bei denen Widerstände in einem
sehr großen Umfang geändert werden sollen, insbesondere in solchen Fällen, in denen
es darauf ankommt, die Änderungen möglichst stufenlos und ohne Schaltvorgänge durchzuführen.