2. 溫度影響:晶界勢壘的 “低 - 高” 溫突變
,核心差異在于 “晶界層的勢壘高度” 隨溫度的變化:
(1)低溫區(qū)(T<Tc,鐵電相):電阻值低且緩慢降低
晶界層的 “空間電荷區(qū)” 形成低勢壘:低溫時
,鈦酸鋇晶粒為鐵電相
,晶格存在自發(fā)極化(正、負(fù)電荷在晶界兩側(cè)聚集
,形成 “空間電荷區(qū)”)
;同時,晶界層吸附的氧離子(O2?)會與晶粒中的自由電子結(jié)合
,形成 “耗盡層”—— 此時晶界層的勢壘高度較低(≈0.1~0.2eV)
,自由電子可通過 “隧道效應(yīng)” 或 “熱激發(fā)” 越過勢壘,因此整體電阻值低(通常為幾百~幾千 Ω)
。
溫度升高的輕微影響:低溫區(qū)溫度升高時
,自由電子熱運(yùn)動能量增強(qiáng),越過勢壘的概率增加
,電阻值會緩慢降低(類似 NTC 效應(yīng),但變化幅度小
,僅 10%~50%)
。
(2)居里溫度附近(T≈Tc):晶格相變觸發(fā)勢壘驟升
當(dāng)溫度升高至 “居里溫度(Tc,鈦酸鋇基陶瓷的 Tc 通常為 120~400℃
,可通過摻雜調(diào)整)” 時
,鈦酸鋇晶粒從 “鐵電相” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“順電相”,晶格自發(fā)極化消失 —— 這一相變會引發(fā)兩個關(guān)鍵變化:
空間電荷區(qū)瓦解:自發(fā)極化消失導(dǎo)致晶界兩側(cè)的電荷聚集效應(yīng)減弱
,空間電荷區(qū)厚度減?div id="4qifd00" class="flower right">
。?br>氧離子吸附增強(qiáng):順電相晶格更穩(wěn)定
,晶界層吸附更多氧離子
,耗盡層厚度顯著增加(自由電子被大量捕獲)—— 兩者共同作用,使晶界層的勢壘高度從 0.1eV 驟升至 0.5~1.0eV
。
(3)高溫區(qū)(T>Tc
,順電相):電阻值急劇升高并趨于穩(wěn)定
勢壘驟升導(dǎo)致電阻突變:勢壘高度升高后,自由電子越過勢壘的概率大幅降低(按指數(shù)規(guī)律衰減)
,晶界層電阻從 10?Ω?cm 驟升至 101?Ω?cm 以上
,整體電阻值隨之急劇升高(例如:Tc=150℃的 PTC 電阻,140℃時電阻為 1kΩ,160℃時電阻可達(dá) 100kΩ
,變化幅度 100 倍)
。
高溫穩(wěn)定性:溫度超過 Tc 后,晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(順電相)
,勢壘高度不再顯著變化
,電阻值隨溫度升高僅緩慢增加(趨于穩(wěn)定),避免電阻無限制升高導(dǎo)致元件燒毀
。
3. 核心功能原理:過熱保護(hù)與限流
PTC 耐高溫?zé)崦綦娮璧?“居里點(diǎn)后電阻突變” 特性
,使其天生適合 “過熱保護(hù)” 和 “限流” 場景,以 “電機(jī)過熱保護(hù)” 為例:
正常工作(T<Tc):電機(jī)溫度低于 Tc(如 150℃)
,PTC 電阻值低(≈100Ω)
,串聯(lián)在電機(jī)電路中時,分壓小
,不影響電機(jī)正常運(yùn)行
;
過熱故障(T>Tc):電機(jī)因堵轉(zhuǎn)、過載導(dǎo)致溫度升至 160℃(超過 Tc)
,PTC 電阻值驟升至 10kΩ 以上
,電路總電阻急劇增大,電流從額定 10A 降至 0.1A 以下
,電機(jī)停止工作(避免燒毀)
;
故障排除后自恢復(fù):電機(jī)溫度降至 Tc 以下,PTC 電阻值恢復(fù)低阻狀態(tài)
,電路自動導(dǎo)通
,電機(jī)可重新工作(無需更換元件,區(qū)別于一次性保險絲)
。
4. 高溫適配設(shè)計(jì):突破常規(guī) PTC 的溫度上限
常規(guī)鈦酸鋇基 PTC 電阻的 Tc 最高約 400℃
,超高溫場景(如 600℃)需采用 SrTiO?基 PTC 電阻,其原理差異在于:
SrTiO?無鐵電相變(無傳統(tǒng)居里溫度)
,但通過摻雜過渡金屬(如 Cr
、Nb)和引入晶界缺陷,可在高溫下(400~600℃)形成 “熱激發(fā)型晶界勢壘”—— 溫度升高時
,晶界缺陷捕獲自由電子的能力增強(qiáng)
,勢壘高度驟升,實(shí)現(xiàn)類似 PTC 的電阻突變效應(yīng)
,適配更高溫的保護(hù)場景(如航空發(fā)動機(jī)附件保護(hù))
。
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