Widerstände~ Kondensatoren~ Spulen. und ihre Werkstoffe

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1 Widerstände~ Kondensatoren~ Spulen und ihre Werkstoffe

2 Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe Von Dr.-lug. habil. Otto Zinke o. Professor an der Technischen Hochschule Darmstadt Mit 195 Abbildungen Springer-Verlag Berlin I Heidelberg IN ew York 1965

3 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalteu Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) oder auf andere Art zu vervielfältigen by Springer-Verlag, BerlinlHeidelberg 1965 Library of Congress Catalog Card Number: Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften Titelnummer 1246

4 Vorwort Von jedem Studenten der Elektrotechnik auf Hochschulen und Höheren Technischen Lehranstalten werden heute vertiefte Kenntnisse auf dem Gebiete der Bauelemente erwartet. Das vorliegende Buch will eine Einführung in das Gebiet der wichtigsten passiven Bauelemente, der Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihrer Werkstoffe geben. Obwohl hier eine Reihe von wichtigen Tatsachen mitgeteilt wird, ist es vor allem mein Ziel gewesen, auf Zusammenhänge hinzuweisen, Erklärungen zu geben und - so oft als möglich - durch sinnvolle Normierung vielfältige Gesetze auf einen Nenner zu bringen. Vollständiges Tatsachenmaterial darzubieten, muß den Handbüchern und Spezial werken überlassen bleiben. Der Leser findet in Kap. 1 über Widerstände und ihre Werkstoffe die Grundgesetze über den Verlauf des spezifischen Widerstandes von unmagnetischen und magnetischen Leiter-Werkstoffen in einem sehr weiten Temperaturbereich, ferner Kalt- und Heißleiter sowie die Grundgesetze über Erwärmung, Temperaturgleichgewicht und Höchsttemperatur von Widerständen. Bei der Besprechung der Festwiderstände wird die Bedeutung der DIN-Normblätter für dieses Gebiet deutlich. Varistoren und Photowiderstände dienen als Beispiele für Spannungs- und Lichteinfluß auf den Leitwert. Der Frequenzabhängigkeit von Widerständen durch unvermeidliche Induktivitäten und Kapazitäten sowie dem Skineffekt ist ein größerer Abschnitt vorbehalten. Die Supraleitfähigkeit wird als Skineffekt bei Gleichstrom dargestellt. Das thermische Rauschen und das Stromrausehen von Widerständen beschließt das 1. Kapitel. Im Kap.2 (Kondensatoren und Isolierstoffe) findet man neben den grundlegenden Bauformen von Fest- und Drehkondensatoren eine genauere Darstellung der Randfeldstärken bei verschiedenen Abrundungen der Platten sowie Kurven zum Paschen-Gesetz und seinen Ausnahmen. Der technische Kondensator mit seinen Verlusten wird eingehend analysiert. Hierbei hat die Darstellung der komplexen Dielektrizitätskonstante bei Polarisationsverlusten durch DEBYE- und COLE-Kreise die gleiche Bedeutung wie die Darstellung der komplexen Permeabilität magnetischer Werkstoffe mit Nachwirkungs- und Wirbelstromverlusten.

5 VI Vorwort ~ach ciner übersicht über Gase und Flüsfiigkeiten als Isoherstoffe werden die festen Isolierstoffe in zwei Gruppcn unterteilt: wickelbare bzw. biegsame Isolierstoffe (Papier, Metalloxydschichten, Kunststoff-l?ohen) und andererseits harte Tsolierstoffe (Duroplaste, Quarze, Glas, Glimmer, Keramik mit niedriger und hoher Dielektrizitätskonstante (8' > 200)). Kap.3 über ~pulen und magnetischc vverkstoffe bringt einige Grundbeziehungen für die Berechnung magnetischer Feldstärken und l!lduktivitäten bei Drahtringen, dem HELMHOLTz-Spulenpaar, ferner optimalen Zylinden;pulen, Flachspulen, Spulen mit quadl'atischem Wickelraum und Spulen mit geringem Streufeld. ])ie technischen ~pulen mit den verschiedenen Verlusten von Blechkernen, Bandkernen, Pulver- und Ferritkernen werden dargestellt. Einc übersicht über die vcrschiedenen magneti:-;chen Erscheinungen eülfichließlich Antiferromagnetismus, Ferrimagnetismus und Metamagnetismus dient als Einführung in die Eigenl-\chaften magnetihch weichcr und harter 'Verkstoffe und Legierungcn. Bei der Fertigstellung die8e8 Bandes konnte ich mich der Mitarbeit und kritischen Sichtung durch die Herren Dil'l.-lng. EBERHARD HOEFER, Dipl.-Ing. KARL HOFFMANN, Dipl.-Ing. GÜN'fER LANDVOGT und Dipl. Ing. ALFONS KESSLER erfreuen. r nsbm;ondere hat Herr HOJ"I<']m den Abschn.3.5 verfaßt. Die Zeichllungsunterlagen wurden von Frl. e'l'e KESSLER Hauber hergestellt und das Manuskript sorgfältig VOll Frau BRIGITTE SCHNEIDER mit Maschine geschrieben. Allen Mitarbeitern danke ich herzlich für ihre Hilfe. Dem Verlag Springer gebührt mein Dank für die vorzügliche Am;stattung. Darmstadt, 1m November 1964 Otto Zinke

6 1. Widerstände und ihre Werkstoffe Inhaltsverzeichnis Seite Spezifischer Widerstand und Temperaturkoeffizient von Metallen, Widerstandslegierungen und Halbleitern Deutung der Leitfähigkeit und Grundbegriffe Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes unmagnetischer Metalle Unmagnetische Legierungen mit sehr kleinem Temperatur. koeffizienten Temperaturabhängigkeit des Widerstandes reiner ferromagneti. scher Werkstoffe (Fe, Co, Ni) Temperaturabhängigkeit des Widerstandes von Halbleitern HALL-Effekt Anwendung von Kaltleitern (Leiter mit positivem Temperatur. koeffizienten) Anwendung von Heißleitern (Temperaturkoeffizient negativ) Meß- und Kompensations.Heißleiter sehr geringer Eigen. erwärmung Fremdgeheizte Heißleiter Regelheißleiter mit Eigenerwärmung Anlaßheißleiter mit Eigenerwärmung innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit Erwärmung, Temperaturgleichgewicht und Höchsttemperatur von Widerständen Erwärmung und Wärmezeitkonstante Temperaturgleichgewicht und Leistung Wärmeabgabe durch Konvektion und Wärmestrah lung Wärmeabgabe durch Wärmeleitung 1.5 Bauformen von Festwiderständen und Normen Feste Drahtwiderstände (DIN 41410) Feste Schichtwiderstände (DIN 41400) Massewiderstände

7 vrn Inhaltsverzeichnis Bauform von Schichtwiderständen. Seite Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Widerständen Abgekürzte Lebensdauerprüfung Widerstände mit veränderlichem Leitwert Spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) Lichtempfindliche Widerstände (Photowiderstände) Frequenzabhängigkeit von Widerständen Einfluß der Blindwiderstände Einfluß der Größe des Widerstandes Induktivitätsarme Wicklungen für Widerstände unter Bauformen für Widerstände größer als I ko Abfall des Wirkwiderstandes bei Widerständen größer als I ko durch verteilte Kapazitäten Abfall des Wirkwiderstandes durch Parallelkapazitäten Abfall des Wirkwiderstandes durch Erdkapazitäten Widerstandserhöhung durch Stromverdrängung (Skineffekt) Ableitung der Beziehung zwischen magnetischer FeldstärkeH und Stromdichte G Großer Skineffekt Einfluß der Querschnittsform auf die Stromverteilung in einem Leiter Supraleitfähigkeit (Skineffekt bei Gleichstrom) Rauschen von Widerständen Thermisches Rauschen Größe der Rauschleistung Ersatzschaltungen rauschender Widerstände Stromrauschen 71 LU Schrifttum Kondensatoren und Isolierstoffe (dielektrische Werkstoffe) Kapazität und elektrisches Feld Methoden zur Bestimmung der Kapazität Überschlagsrechnung Exakte analytische Methoden Allgemeine analytische Näherungsmethode Graphische Methoden Spezifische Kapazität (Kapazität pro Volumen) Abrundung des Randes und Randfeldstärke 2.2 Bauform und Kapazität von Kondensatorcn

8 Inhaltsverzeichnis IX Seite Festkondensatoren Wickelkondensatoren Zylinderkondensator Topfkondensator Weitere Bauformen Trimmkondensatoren Drehkondensatoren Kapazitätsgerader Drehkondensator Frequenzgerader Drehkondensator Wellenlängengerader Drehkondensator Logarithmischer Drehkondensator Vergleich der verschiedenen Plattenschnitte Der technische Kondensator Einfluß der Induktivität auf die wirksame Kapazität (Lage der Resonanzfrequenzen) Güte, Verlustfaktor und Ersatzschaltungen des technischen Kondensators Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors des technischen Kondensators Die Strom und Spannungsbelastbarkeit technischer Konden satoren bei verschiedenen Frequenzen Die Verluste des Dielektrikums und die komplexe Dielektrizitätskonstante Die Polarisationsverluste llo Polare und nichtpolare Isolierstoffe llo Frequenzabhängigkeit der komplexen Dielektrizitätskonstante bei polaren Stoffen III Temperaturabhängigkeit der komplexen Dielektrizitätskonstante Verluste durch ohmsche Leitfähigkeit des Dielektrikums (Beziehung zwischen der Kapazität und dem inneren Isolationswiderstand) Frequenzabhängigkeit der komplexen Dielektrizitätskonstante bei Polarisations- und Leitfähigkeitsverlusten Eigenschaften und Anwendungen dielektrischer Werkstoffe Gase als Isolierstoffe Preßgas-Kondensatoren Vakuum-Kondensatoren Flüssige Isolierstoffe und Vergußmassen Isolieröle Isolierflüssigkeiten mit hohem e' und Wasser Vergußmassen Feste Isolierstoffe Wickelbare und biegsame Isolierstoffe 127 Zinke, Widerstände a

9 x 2.6 Schrifttum Inhaltsverzeichni s Reitt' Papier (Zellstoff) als Isolierstoff Einfluß von Überspannung una Übertemperatur auf dip Lebens dauer !} Haupteigpllschaften von Papiprkondensatoren H Metalloxydschichten und Elektrolytkondpnsatorcn : Kunststoff-Folien und Kunststoff-Komlensatoren (MK-Kondensatoren) : :1.1 Kondensator-Folien aus Kunststoff ]: Kabcl-Isolierstoffe mit geringem tanr ] Kabelmantpl-1solierstoffe ]: Harte Tsolierstoffe der Elektrotechnik Härtbare Kunststoffe (Duroplaste) Quarz. Glas, Glimmer, Asbest Quarz Gläser Glimmer und (ilimlllerproduktp 14:l 2.5.: Asbest Keramik mit 10' < 200 (NDK-Masspn).. 14;i 2.5.:l Gruppe J. Porzpllanp (Aluminiumsilikate) i Gruppe 11. Hteatite (Magnnsiulllsilikate) (; Gruppe 111. l{utilhaltige Magnesiumsilikate ('l'itandioxyd- Massen) i 2.1) Gruppe n-. Magnesiull1-.\luminium-Rilikate Gruppe Y. Poröse "~lull1inium- Hilikate ) Gruppe \"1. Aluminiumoxy!l-Keramik ] Gruppe VII. Reine Oxyd-Keramik :1.8 Besondere Hilikate S 2.5.:3.2.4 Ferroelektrische Keramik mit F' > 200 (HDK-Massen) 3. Spulen und magnlltisclul W!'l'kstoffc 113:3 3.1 Grundbeziehungpn für die Tnduktivität ],,:3 3.2 Induktivität und Feld einfacher Leiterfornwl! };),j Induktivität der Koaxialleitung Vi.i Tnduktivität der ~treifenleitung (Bandleitung. Bifilarbanrl) Uiß Induktivität der Doppelleitung aus Runddrähten S };")o

10 Inhaltsverzeichnis Induktivität eines Drahtringes Induktivität und Gegeninduktivität von zwei koaxialen Kreisringen.... XI Seite Zwei Windungen bzw. Spulen mit homogenem Axialfeld (HELMHoLTz-Spulenpaar) Spulen mit drei Windungen Induktivität von enggewickelten Zylinder- und Flachspulen Spezifische Induktivität. Optimale einlagige Zylinderspulen lßh Optimale Spulen mit quadratischem Wickelraum 171 :t2.11 Hpulen mit geringem Außenfeld l Toroidspulen (Ringkernspulen) :l Hpulen mit magnetischem Kern fi :~.3.1 Blechkerne für den Niederfrequenzbereich Bandkerne, aus hochpermeablem Material gewickelt :l.:l Kernc aus Eisenpulver in Isolierstoff Ferritkerne Verminderung und Lincarisierung der Permeabilität durch Luftspalte :l.4 Eigenschaften technischer Spulen IHI :~.4.1 Einfluß der Eigenkapazität l.1 Resonanzwellenlänge von Flach- und Zylinderspulen Einfluß der Verluste... IH:{ :3.4.:l Belastbarkeit von technischen Spulen Eigenschaften des Kernmaterials 188 :l.5.1 Einteilung der Stoffe nach magnetischen Eigenschaften 18H :l Magnetisch neutrale Stoffe Diamagnetismus. 189 :{ Paramagnetismus Ferromagnetismus Antiferromagnetismus Ferrimagnetismus Metamagnetismus :t5.2 Ferromagnetische Stoffe in Wechselfeldern Wirbelstromverluste Hystereseverluste Magnetische Nachwirkung Resonanzerscheinungen 209 :l.6 Magnetische Werkstoffe Magnetisch weiche Werkstoffe mit besonders kleinen Ummagnetisierungsverlusten :l Ferromagnetische Werkstoffe (Metallegierungen)

11 XII Inhaltsverzeichnis Seite Ferrimagnetische Werkstoffe (MetaUmischoxyde) Legierungen nichtferromagnetischer Metalle Magnetisch weiche Werkstoffe mit rechteckiger Hysterese. schleife Ferromagnetische Legierungen Ferrimagnetische Werkstoffe Magnetische harte Werkstoffe für permanente magnetische Felder (Dauermagnetwerkstoffe) Ferromagnetische Legierungen Ferrimagnetische Werkstoffe Legierungen nichtferromagnetischer Metalle Schrifttum Anhang: Schreibweise von zeitlich rein harmonisch veränderlichen Skala ren und Vektoren. 224 Sachverzeichnis , 225