电接触理论

电接触理论1-1电接触的定义、现象和问题电接触是研究固态导体与固态导体、固态导体与液态导体、固态或液态导体与等离子体接触过渡区中的机械现象、电现象、热现象、化学现象的一个专门学科。电接触含义是指导体接触过渡区产生的各种物理、化学现象。在工程实际应用中，“电接触”常指的是接触导体的具体结构或接触导体本身，称为“电触头”，简称触头或触点。接触元件：接触导体。阴极：根据电流流过接触元件的方向规定电流流入的一个接触元件。阳极：电流流出的另一个接触元件。工程应用中的电接触，从工作原理分三类：固定接触：（强电中有母线的连接或铆接、输电线连接器、电缆头等，在弱电中有电子设备和仪器中的插接件、连接器、塞子和插头）工作中出现的主要现象和问题是；接触电阻、接触温升和接触熔焊滑动接触：（开关的滑动触头、变阻器的滑动头、电机的电刷与滑环、电车的馈电弓与馈电线等）除上述问题外，还有接触元件之间的摩擦、润滑和磨损。可分合的接触：（各种开关电器和继电器的触头）在工作期间常出现电弧。1—2电接触的几个基本概念任何经过精细加工的名义平面，实际上都是粗糙不平。当接触时，即使外加很大的接触力在接触表面也只有少数的点(小面)实际发生真正的接触，这些实际接触的小面承受全部的外加接触力。由于金属表面一般都覆盖着不导电的氧化膜或其它种类的膜，因而在实际接触小面内，只有少部分膜被压破的地方才能形成金属与金属的直接接触，电流实际上只从这些更小的金属接触点通过。机械接触斑点：实际发生机械接触的小面简称“接触斑点”导电斑点：形成金属接触或准金属接触的更小的面(实际传导电流的面)。或称为a斑点。当电流通过接触元件的接触内表面时，电流将集中流过那些极小的导电斑点，因而在导电斑点附近，电流必然发生收缩，由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增长，有效导电面积减小，因而出现的附加电阻，称为“收缩电阻”。如果电流通过导电斑点不是纯金属接触，而是准金属接触，则电子因通过极薄的膜还会遇到另—附加电阻，称为“膜电阻”。这两部分加电阻在电路上是串联相加的，这个附加的总电阻称接触电阻。根据电流收缩区电位为椭球场的假定，可以证明收缩电阻与导电斑点尺寸之间有下列的简单关系：当电流通过导体与导体的接触处时，由于接触电阻的存在，在电流收缩区两端必然会出现一定的电压降，这个电压降称之为“接触压降”。接触电阻产生焦耳热，使收缩区的温度升高，常超过收缩区外导体的温度。导电斑点上的温度超过收缩区外导体的温度的数值称之为斑点的“超温”。如果通过导体接触处的电流增大，或者接触电阻增高，则接触压降必然相应增大，导电斑点和收缩区内的温度亦必然相应增大，当温度达到接触导体材料的软化点和熔化点时，导电斑点及其附近的金属就会发生软化和熔化。一定的导体材料，一定的软化和熔化温度，对应的接触压降称为材料的“软化电压”和“熔化电压”。第二章电接触内表面铸造喷砂后的连接器表面抛光的滑环表面设两实际的粗糙金属表面，在真空中经清洁处理，去掉了表面膜。当此两金属面接触时，如果材料的硬度为无限大(为理想刚体)，则不论外加的接触力有多久材料都不会产生任何变形。在此条件下，对于两平面接触，实际的接触点最多只有三个。对于两圆柱面轴间平行接触，实际接触点最多是两个。而对于两圆球面交叉接触，实际接触点就只有一个．两清洁金属表面的接触材料的实际硬度都不是无限大，在外力作用下，材料都会产生变形。当外加接触力较小时，材料产生弹性变形，如果接触力超过一定限度，材料将产生塑性变形。因此，在外加接触力作用下，两实际金属面的接触过程如下：两表面开始接触时只有很少的实际接触点，如图2—4a。由于此时实际接触面积非常小，单位实际接触面积受到的力非常大，起始接触点首先产生弹性变形，然后向塑性变形过渡。由于起始接触点变形，实际接触面积扩大，同时两金属表面的空隙部分相互靠近，继续产生新的实际接触点，如图2—4b，图中箭头所指为新产生的接触点。最后，当总的实际接触面积扩大到支持力与外力相平衡时，接触过程结束。具有半径r1和r2的两理想光滑弹性球相互接触，如图2—5，在接触力F的作用下产生弹性变形，其实际接触面Ab的半径a与接触力F之间的关系内赫芝导出:E1和E2：——两球材料的弹性模量v1和v2——两球材料的泊松比。2—4金属表面上膜的机械破坏具有绝缘膜的两金属表面接触时，有两种方法可能使膜破坏；一种是机械的方法:机械的方法是在接触元件上施加一定的接触力，使实际接触面上获得极高的应力，当表面凸丘受力变形时，膜亦随之破裂。或者，在两金属表面接触受力的同时，使两表面作相对滑动，将膜磨碎并剥离。另一种是电的方法:电的方法是在接触元件两端施加一定的电压．当膜内的电场达到很高的数值时，膜便被“击穿”而破坏。表面膜在凸丘变形时易于破裂基本条件：第一:凸丘受压变形处膜应受极高的机械应力，第二:膜的硬度和韧性与基底金属相比应有很大的差别。在电接触中，凸丘初始接触变形,虽然膜已发生破裂，但不形成基底金属直接接触。当丘顶进一步受力变形对，顶端接触部分的表面积在变形前后有很大变化.凸丘顶部由弧线变成直线，长度缩短，膜下层的基底金属大量流动，使膜碎裂．凸丘受力变形的后阶段，膜的破裂部位发生在实际接触面内包括初始阶段一部分圆周方向和径向的破裂。这一现象表明，电接触只是在微观凸丘受力产生严重变形,才能出现金属的直接接触。在不同的接触方式,膜的破裂情况是极不相同的。对于两金属表面无相对滑动的接触，实际接触面内膜的破裂呈不规则的网状分布，膜破裂成一块块小矩形碎片，在碎片与碎片之间，基底金属被挤压填满这些缝隙。对于两金属表面且有相对活动的接触，当接触斑点上的膜按压碎后，膜碎片在切线力的作用下,产生大块剥离，在接触斑点中形成大面积金属接触。因此有相对滑动和无相对滑动的两类接触中，接触斑点内膜的破裂情况和形成金属接触的详细结构是不同的，在考虑收缩电阻和有关特性时应该区别对待。2—5接触斑点和导电斑点的显示和实验研究方法粗略地观察接触斑点和导电班点是所谓的斑点显示技术。最简单的方法是用“化学着色”和“脉冲电流”。化学着色法是：两铜平面夹紧，放在相对湿度为85％，含二氧化琉1％的空气1个月，然后将两接触面分开,那些接触斑点的小面不受气体侵蚀，保持着铜光泽，其余的表面生成一层暗膜，因而完全失去铜的光泽。脉冲电流是利用导电斑点热惯性非常小的特点，对接触面通以短时强脉冲电流，使导电斑点产生轻微熔化然后将接触面分开，即可显示出视在接触面上导电斑点的分布图象。由于导电斑点熔化后，熔化金属在外加接触力作用下向四周挤出，使面积扩大。因而，用这种方法显示出的导电斑点往往比实际斑点大得多。精确观测金属元件之间的接触斑点和导电斑点:中子图象法:将吸收中于的油脂涂在金属元件的视在接触面上，两元件接触时接触斑点上的油脂被挤到周围的空隙中。当中子射线通道接触油时，那些没有油脂的接触斑点(小面)射线可以通过，而充满油脂的没有接触的面射线不能通过．最后便在照象底片上得到接触斑点的图象．用红外显微镜直接探测通有电流的接触内表面中的导电斑点用两种红外探测仪——红外显微镜和红外扫描仪——获得在通电条件下金属接触内表面的温度分布，进而得到导电斑点的位置、形状和大小。第三章接触电阻理论Rab-Rab’=Rc3—2收缩电阻物理模型和计算假定：(1)长收缩长收缩：导电斑点为圆形，它的尺寸比视在接触面积小得多．Rab’可以忽略。收缩区范围比导电斑点尺寸大很多。在作理论分析时，可令收缩区延伸到无限远。短收缩：如果导电斑点尺寸与收缩区范围比较相差不大；不能忽略。(2)接触元件材料相同，而且是均质的。也就是说两接触元件的电阻率ρ1和ρ2相等，令它们等于ρ。因收缩区体积一般很小，材料的不均匀性是很小的。(3)忽略温度对电阻率的影响，即在收缩i区内各点的电阻率ρ为常数。当通过接触元件的，电流很小、温升很低时，收缩区内温度分布的不同对电阻率的影响很小。(4)导电斑点面上的电位处处相等并以此导电面上的电位为0，(5)导电斑点面上没有表面膜存在，因而膜电阻为零。(6)忽略热电势和接触电势。3—3导电斑点尺寸、形状和表面膜对收缩电阻的影响当导电斑点的尺寸足够大时，电子经收缩区通过导电斑点是的扩散运动，即这种情况下的导电机理与金属导体相同。然而，如果导电斑点的尺寸非常小(小于电子平均自由行程)，则电子通过微小的导电斑点时会产生散射，导致另一附加电阻分量。因此，当导电斑点尺寸足够小时，电流通过斑点产生的收缩电阻一般地应由以下两个分量组成：3—4多斑点收缩电阻问题假定有n个导电斑点分布于一圆形视在接触面Ar内，斑点的形状都是圆形，其半径分别为a1、a2……an，斑点与斑点之间的距离比其半径大得多，以致对每个斑点来说都满足“长收缩”条件．由于它们在电路上是并联关系,元件的总收缩电阻应为假定n个圆形斑点都有相同的半径。，并且n个斑点在Ar上均匀分布，两相邻斑点之间的中心距离为2l。在此假定条件下，可以近似的写出下列关系：利用a2+u＝l2关系，则单个导电斑点的收缩电阻为:根据式接触电阻准确定义，Ar与E之间的收缩电阻等于Rc(n，a，l)减去某一电阻Rab’,将上式改写:各导电斑点的电流分布并不均匀。斑点愈靠近Ar的边缘，电流分布愈不均匀。如果斑点彼此非常接近，这个效应引起误差达20％。当l/a增大时，引起的误差减小。1)设现在接触面Ar中，具有相等半径的圆斑点均匀分布，收缩电阻为R(n,a,l),现假定所有这些斑点联合成一个大圆导电斑点，半径为r0，其收缩电阻为ρ/4r0。如果以斑点个数n为参量，绘出R(n，a，l)／ρ/4r0和l/a之间的关系，则成图3-9所示的曲线。这组曲线表示了将一个大的导电斑点分成n个小的分散斑点后，对收缩电阻产生的影响。可以看出，当l/a＞10以后，其对R(n，a，l)／ρ/4r0的影响很小，且n愈大，后者愈小。(2)现假定一对接触元件的接触面积πr2全部导电，则一个元件的收缩电阻为ρ／4r。实际上该面是具有凸丘均匀分布的粗糙面，形成n个导电斑点。令导电斑点平均半径为a，平均距离为2l。当斑点个数由少变多时，R(n，a，l)／ρ/4r对l/a的变化关系绘于图3—l0中。此图实际上表示了表面凸丘(粗糙度)对收缩电阻的影响。可以看出，当l/a增大,R(n，a，l)／ρ/4r线形增大,n愈大，l/a对R(n，a，l)／ρ/4r0的影响愈小。在多斑点“短收缩”模型中，由于斑点收缩区边界椭球的高非常之小，以致Ar与E之间的电压不能直接测量。现假定电压探针的位置距接触面的距离大于Ar的直径，则测到的电压成包括E=Ar为底的“长收缩”电压。导电斑点一般不是圆形，而是一定椭圆度的椭圆形。3—5触头上的表面膜表面膜的影响:导通电流。接触膜的存在往往妨碍导电．使工作完全失效。在开关触头和滑动接触中．又能减小冷焊和摩擦。因此，在不妨碍触头导电性的前提下应该允许膜存在。膜的性质分类:(1)前锈膜:它在基体金属上产生，能发展成锈膜，故有前锈膜之称。如化学吸附的单层氧化膜(2)锈膜它由阵点金属原子组成。例如氧化物就是一种常见的锈膜。(3)外膜在金属表面附的一层其他物质。例如润滑膜、水膜。根据膜的厚度分:(1)吸附膜它只有一个到几个原子厚。最典型的是单层膜。(2)保护膜这种膜在很薄时,停止生长，它能阻止化学侵蚀。(3)暗膜这种膜能连续生长、加厚，颜色灰暗，故有暗膜之称。在许多普通金属表面上，例如钢，常生成这种暗膜。吸附膜可分成:物理吸附:借范德华兹力以0.05ev的能量弱束缚于金属表面，它不与金属构成共价化合物；化学吸附:以1—8ev的能量强束缚于金属表面，并与金属构成共价键化合物。金属表面吸附气体分子的速率:氧化单层膜形成后的生长规律两种情况：(1)如果氧化膜只有几个原子厚，且温度很低、它的生长与许多因素有关，而且测量它的厚度也困难(2)在膜较厚(膜厚＞10nm)和温度较高(温度为几百度)的情况下，膜的生长速率服从抛物线氧化速率定律：金属在不同的温度范围内还生成不同的氧化物但在更高的温度下，氧化物分解或挥发。Cu:温度在