1.2.14. Контактная поверхность и контактное сопротивление

П

Рис.1.2.14. Картина прохождения тока в контакте

Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации микровыступов, которые воспринимают усилие. Эта часть контактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей усилие.

Очевидно, что электрический ток может проходить только в точках контактной поверхности, в которых имеет место механический контакт. Однако условие механического контакта является необходимым, но недостаточным для протекания тока.

При ближайшем рассмотрении поверхности, воспринимающей усилие, можно видеть, что она весьма неоднородна, а именно: в общем случае одна часть ее покрыта плёнками оксидов, другая – адгезионными слоями атомов кислорода и, наконец, третья часть представляет собой чисто металлическую поверхность.

Для прохождения электрического тока поверхность, покрытая оксидными пленками, обладает большим электрическим сопротивле­нием, поскольку удельное сопротивление оксидов на несколько порядков выше удельного сопротивления чистых металлов.

Через поверхность, покрытую адгезионными слоями кислорода, электрический ток может протекать за счет туннельного эффекта, заключающегося в проникновении электронов через потенциальный барьер. Этот участок поверхности имеет квазиметаллический характер проводимости.

И, наконец, третья часть поверхности проводит свободно электрический ток благодаря чисто металлической проводимости.

Квазиметаллические и металлические поверхности контакта принято называть -пятнами. Это именно те части контактной поверхности, через которые в электрических контактах протекает ток. В электрических контактах ток проходит только через небольшую часть кажущейся контактной поверхности, и, следовательно, он должен испытывать сопротивление при прохождении через зону контакта.

Следует отметить, что если на некотором удалении от -пятна линии тока параллельны друг другу, то в непосредственной близости от него они искривляются и «стягиваются» к -пятну. Область электрического контакта, где линии тока искривляются, стягиваясь к -пятну, называется областью стягивания.

В областях стягивания поперечное сечение проводника используется не полностью для протекания электрического тока, что и приводит к появлению дополнительного сопротивления. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания.

Переходное сопротивление контакта зависит от обработки поверхности. Шлифовка ведёт к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов затруднено, поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Наличие окисных плёнок приводит к тому, что при небольшом напряжении замыкаемой цепи или недостаточной силе нажатия на контакты протекание электрического тока становится невозможным. Например, для меди удельное электрическое сопротивление при составляет 1,62*10^-8 Ом м, для окиси меди (CuO) – 1-10 Ом м, для закиси меди (Cu₂O) – 10⁶-10⁷ Ом м. В связи с этим контакты на малые токи или на малые усилия нажатия изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). В сильноточных (сильнотоковых) контактах окисная плёнка разрушается либо благодаря большим усилиям нажатия, либо путём самозачистки при включении за счёт проскальзывания одного контакта относительно другого.

В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых контактов также возникают окисные, плохо проводящие ток плёнки. Они проникают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное сопротивление, могут вывести контакты из строя. Повышение температуры ускоряет степень окисления поверхности контактов. Повышение силы контактного нажатия, наоборот, затрудняет проникновение окисных плёнок к площадкам контактирования, повышая тем самым срок службы контактов.

Окислы серебра имеют электрическую проводимость, близкую к проводимости чистого серебра. При повышенных температурах окислы серебра разрушаются. Поэтому переходное сопротивление контактов из серебра практически не изменяется с течением времени. Оно даже может понизиться вследствие медленной пластической деформации материала в площадках контактирования. Для медных контактов применяются специальные меры по уменьшению окисления их рабочих поверхностей.

В разборных соединениях производят антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей – серебрят, лудят, покрывают кадмием, никелируют и цинкуют. Применяют покрытие рабочих поверхностей нейтральной смазкой после их технического обслуживания.

Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выключаясь, выполняются, как правило, из серебра или металлокерамики на основе серебра. Для медных контактов снижается значение тока нагрузки по сравнению с допустимым значением. Тем самым снижаются нагрев контактов и интенсивность их окисления.

Возникающая при отключении дуга сжигает окислы, и переходное сопротивление снижается. Во многих аппаратах кинематическая схема предусматривает при замыкании некоторое проскальзывание одного контакта по-другому. Образовавшаяся окисная пленка при этом разрушается.

Материалы большей твердости имеют большее переходное сопротивление и требуют большего контактного нажатия. Чем выше электрическая проводимость и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление.