Warystory sa półprzewodnikowymi rezystorami o charakterystyce nap-prąd odznaczającej się dużą nieliniowością. Materiałem wykazującym silną nieliniowość charakterystyki jest materiał ceramiczny z tlenków metali, warystory z tlenków metali są obecnie powszechnie stosowane w elektrotechnice do stabilizacji napięcia i do ochrony przed przepięciami urz elektr.
Warystory takie są spiekami tlenku cynku (ok. 90%) z tlenkami innych metali (Bi2O3, CO2O3, MnO2, Al2O3).
Warystory z tlenk met chark się silnie nieliniową chartka nap-prąd. Nieliniowość przewodnictwa wynika ze zjawisk zachodzących na granicy ziaren ZnO. Tam właśnie zachodzą procesy decydujące o właściwościach zaworowych i przewodzących warystorów. Pomiędzy ziarnami ZnO tworzą się bariery potencjału, utrudniające przepływ prądu przy małym doprowadzonym napięciu, a regulujące przepływ dużych prądów przy większym napięciu
Obszary charakterystyki warystora: zakres przedprzebiciowy (warystor zachowuje się jak kondensator bardzo małej stratności) - w normalnych warunkach pracy warystor pracuje właśnie w tym przedziale charakterystyki. Przy małym napięciu tj nie większym od napięcia pracy ciągłej prąd warystora jest niewielki nie powodujący nadmiern wzrost temp. Zakres przebiciowy (występuje właściwy efekt warystorowy tj duży współczynnik nieliniowości) - nagłe zmniejszenie się wysokości bariery potencjału powoduje gwałtowny wzrost prądu przepuszczanego przez warystor. Zakres nasycenia (charakterystyka nap-prąd staję się przy dużych prądach znów liniowa) - podczas przepływu w warystorach udarów prądowych o dużych wartościach max mogą występować znacznie większe gęstości prądów niż w zakresie przebiciowych.
Warystory z węglika krzemu: wytw metodą spiekania, podstaw składnikiem materiałów z których jest wykonany jest węglik krzemu SiC w postaci polikrystalicznej o różnego rodzaju zanieczyszczeniach i domieszkach. Warystory te są między innymi elementami stosu zmiennorezystancyjnego w iskiernikowych ogranicznikach przepięć. Stosowane również jako rezystory bocznikujące przerwy iskierników tych odgromników - sterujące rozkładem napięcia na szeregowo połączonych przerwach iskiernika. Iskiernikowe odgromniki są stosowane do ochro przeciwprzep urz elektoenrg. Mech przewodz: O przewodnictwie prądu decydują głównie zjawiska na granicach między ziarnami. Dla niewielkiego napięcia zależność między napięciem a prądem spełnia prawo Ohma. Przy zwiększaniu napięcia gęstość prądu ulega zwiększeniu. Ten wzrost prądu następuje, gdy napięcie na warstwie zaporowej osiągnie wartość równą pracy wyjścia elektronów z warstwy zaporowej. Przy wzroście napięcia zwiększający się prąd dodatkowo nagrzewa warstwy powierzchniowe prowadząc do dodatkowego wzrostu prądu.
Zastosowanie: stosowane są w układach niskiego napięcia do stabilizacji napięcia, jako elementy zabezpieczające przed przepięciami oraz w układach elektronicznych. Najpowszechniejsze zast w układach wysokiego napięcia znalazły warystory w zaworach odgromników iskiernikowych oraz beziskiernikowych ogranicznikach przepięć. Najczęściej wykorzystywane są warystory z SiC oraz tlenków metali.
Termistory: są to elementy półprzewodnikowe, których rezystancja zależy od temperatury. Zależność rezystancji od temperatury jest podstawą podziału termistorów na trzy grupy: a) o ujemnej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji α (-0,02 do 0,09 1/K)
b) termistory o dodatniej wartości α (0,05 do 0,7 1/K)
c) o prawie skokowym zmniejszeniu się rezystancji w kilkustopniowym przedziale zmian temperatury.
Termistory z ujemnym współczynnikiem temperaturowym są wytwarzane ze spieków Fe2O3-TiO2, NiO-Li2O, MgO-TiO2, MgO-Al2O3 i in.
Temperaturowy współczynnik rez charakteryzuje zmiana rezystancji termorezystora pod działaniem temp: α=-B/T2, gdzie B- stała wyznaczana doświadczalnie przy wykorzystaniu wyników pomiarów rezystancji dla dwu temp.
Stosuje się je do pomiaru temperatury, kompensacji temperaturowych zmian rezystancji obwodów elektrycznych, stabilizacji napięcia, zabezpieczenia urządzeń w przekaźnikach rozruchowych i czasowych.
Termistory z dodatnim współczynnikiem temperaturowym są materiałami ceramicznymi wytwarzanymi z polikrystalicznego tytanianu baru BaTiO3 lub roztworu stałego. Obie substancje są ferroelektrykami o dużej, zależnej od temperatury względnej przenikalności elektrycznej ε. Właściwości półprzewodników uzyskują one w wyniku domieszkowania różnymi pierwiastkami. O charakt termis z dod współcz decydują zjawiska na granicy ziaren. W niższych temp ładunek przestrzenny wywołujący polaryzację spontaniczną powoduje obniżenie potencjału na granicy ziaren, a tym samym zmniejszenie rezystancji. Po przekroczeniu temp T1 polaryzacja spontaniczna zaczyna zanikać, a po przekroczeniu T2 (równej w przybli temp Curie - temp charak materiału w której zanika efekt ferromagnetyczny na korzyść paramagnetycznego). Dzięki temu w zakresie temp T1-T2 następuje duży wzrost rezystancji termistora.
Termistory z skokowym zmniejszeniem się temp wykonuje się ze spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu. W określonej temp następuje zmiana ich struktury krystalicznej prowadząca do m in gwałtownego zmniejszenia rezystywności.
Wypadkowy magnetyczny moment dipolowy atomu:
-jądrowy moment magn.; wynika z momentu pędu jądra związanego z jego spinem. Masa jądra duża, wiec wpływ na moment atomu pomijalnie mały.
-orbitalne momenty magn. elektronów; wynikają z ruchu elektr. po orbicie tworząc pętlę prądową. Występuje w najdalszych nie zapełnionych elektronami warstwach więc wpływ na moment atomu pomijalnie mały.
-spinowe momenty magn. elektronów; wynikają z ruchu elektr. wokół swojej osi odpowiada temu moment pędu o moment magn. Spinowe momenty elektr. dodają się. Jeżeli powłoki nie są całkowicie zapełnione występuje silne niezrównoważenie spinowych atom. moment. magn.
Indukowane dipole magnetyczne-na cząstkę działa
F=q(v x B).wówczas cząstka zatacza krąg lub porusza się ruchem śrubowym wokół linii indukcji B. Jeżeli wirujący ładunek potraktujemy jak prąd to wokół pętli indukuje się pole magnet. skierowane przeciwnie do zewnętrznego.
Polaryzacja magnetyczna; każdej V materiału można przypisać wypadk. Moment magnetyczny charakteryzowany przez wektor polaryzacji magnetycznej. Określa on stopień uporządkowania dipoli magnetycznych w materiale i zależy od natężenia zew pola magnetycznego H.
Diamagnetyki- magnesują się pod wpływem zew pola magnetycznego i są skierowane przeciwnie do niego więc są wypychane. Namagnesowanie znika po usunięciu pola. Ich podatność magnetyczna jest ujemna, a przenikalność magnetyczna mniejsza niż próżni(<1). (przykłady: bizmut, cynk, miedź, złoto, srebro, rtęć).
Paramagnetyki-magnesują się pod wpływem zew pola magnetycznego-dipole ustawiają się równolegle do kierunku linii sił pola. Po usunięciu zew pola tracą swoje namagnesowanie. Przenikalność magnetyczna nieco większa od 1 ,podatność magnetyczna jest większa od 0 i zależy od temperatury. Niektóre paramagnetyki w temperaturach poniżej pewnej temperatury stają się ferromagnetykami(prawo Curie) (przykłady: tlen, aluminium, mangan, chrom, platyna, tlenek azotu, lit, sód)
Ferromagnetyki- pod wpływem zew pola występuje namagnesowanie, tj uporządkowanie domen zgodnie z liniami sił pola. Występuje w atomach z nie zapełnionymi powłokami oraz w ciałach krystalicznych. Po usunięciu zew pola domeny nie chcą wracać do pierwotnego chaotycznego ustawienia i materiał pozostaje namagnesowany. Podatność magnetyczna jest duża-kilka rzędów większa niż poprzednich, przenikalność magnetyczna też. Monokryształy mają różne właściwości namagnesowania w różnych kierunkach osi kryształów. (przykłady: żelazo, kobalt, nikiel)
Proces magnesowania: dipole magnetyczne bez zew pola ustawiają się w obszary równoległego ukierunkowania zwane domenami. Zew pole powoduje powstanie niezerowego namagnesowania, które rośnie ze wzrostem natężenia pola magn aż osiągnie nasycenie-wszystkie domeny ustawiają się zgodnie z kierunkiem linii sił tego pola. Po zmniejszaniu wartości H występuje opóźnianie stanu namagnesowania w stosunku do zmian pola. Przy H=0 występuję namagnesowanie szczątkowe-indukcja remanencji. Natężenie H przy którym B=0 nazywa się natężeniem powściągającym(koercji).
Straty energii w ferromagnetykach: występują straty na histerezę oraz straty na prądy wirowe-dlatego stosuję się pakietowe blachy na rdzenie transformatorów aby eliminować starty cieplne powodowane prądami wirowymi. Suma strat dla jednostki objętości to stratność magnetyczna.
Mat. magnet. miękkie: mają wąską pętlę histerezy, stosuje się na rdzenie elektromagnesów DC oraz maszyn prądu AC(maszyny elektryczne, trafo, dławiki, do ekranowania magn i czujników magn. Przykłady:
Czyste żelazo, stal krzemowa(na rdzenie trafo), stal bezkrzemowa(wirujące maszyny małej mocy), stopy Fe-Ni(rdzenie trafo dużych częstotliwości)Metglas(szkło amorficzne rdzenie trafo niskich częstotliwości -wada kruchość).
Mat. magnet. twarde: mają szeroką pętlę histerezy. Stosowane do magnesów trwałych prądnic i silników DC, mikrofonów, głośników, w magnetoelektrycznych przyrządach pomiarowych, zegarach i urządzeniach sterujących. Przykłady:
Stal węglowa(n magnesy trwałe dużych wymiarów oraz magnesy małych maszyn synchronicznych), stal wolframowa(liczniki indukcyjne, maszyny elektryczne, induktory), stal kobaltowa(przekaźniki, mierniki, głośniki).
Z teorii elektromagnetycznej budowy materii wynika obecność w ciałach stałych: ładunków swobodnych - stanowić je mogą elektrony oraz jony dodatnie i ujemne, ładunków związanych - dipoli elektrycznych. Według teorii pasmowej ciała stałego wystąpienie przewodnictwa elektronowego zależy od wartości energii pasma zabronionego ΔEw która dla dielektryków wynosi kilkanaście eV. Dla przewodników ΔEw=0, półprzewodników ΔEw=0,5 - 2 eV, materiałów izolacyjnych stałych ΔEw>2eV.
O właściwościach technicznych materiałów izolacyjnych stałych decyduje przewodnictwo jonowe, w materiałach o struk kryst jest ono wynikiem defektów w sieci krystalicznej, a w amorficznych - wynikiem obecności domieszek.
Rezystywność danego materiału stanowią: rez skrośna charakter właściwości objętości materiału, rez pow charakt właściwości powierzchni materiału, głównie ze względu na procesy absorpcji wilgoci i zanieczyszczeń z otoczenia.
Całkowitą rezystancję izolacji stanowią : rez skrośna: stos nap dopr do próbki za pomoca elektr i ustal natężenia prądu płynącego między elektrod przez próbkę na wskroś, bez uwzgl I płynącego po pow próbki rez powierzchniowa: stos nap stał dopr do prób za pomocą elektrod do ustal nat I płynącego przez warstwy wilgoci zaabsorbowanej na pow mat i innych przew zanieczyszcz.
Własności mat charakter: rezystywność skrośna: iloraz stałego natężenia pola elektr przez ustaloną gęstość prądu płynącego na wskroś mat: rov=E/Jv [ohmm]
Rezystywność powierzchniowa: rezyst kwadratu na pow mat przy czym prąd płynie do przeciwległych boków kwadratu. [Ohm]
W zależności od rodzaju próbek materiału (płaskie, rurowe, prętowe) dopiera się odpowiedni kształt elektrod pomiarowych, najczęściej stosuje się próbki płaskie.
Elektrody pomiarowe: a) mogą stanowić powłoki przewodzące wykonane przez naniesienie odpowiednich lakierów przewodzących tworzących stałe warstwy na pow mat b) mogą zostać naniesione przez metalizację natryskową z cynku, miedzi, aluminium lub srebra c) mogą zostać napylone w próżni lub katodowo i wykonane ze srebra, złota, platyny, miedzi.
Rezystywność skrośna:
ρv= Rv*A/h [Ohm*m], gdzie Rv- rezystancja skrośna, A- efektywna powierzchnia, h- śrenia arytmetyczna grub próbki
Przy zastosowaniu elektrod okrągłych:
A= π(d+a)2/4
Rezystywność powierzchniowa:
ρv = Rs*B/h [Ohm], Rs - rezystancja pow, B- efektywna długość (obwód) elektrody pomiarowej, h- średnia arytmetyczna grubości próbki
Przy zastosowaniu elektrod okrągłych:
B= π(d+a)