ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Электрическим контактом называется такое соединение двух проводников, при котором обеспечивается надежное прохождение электрического тока. Электрический контакт должен передавать энергию электрического тока от одного аппарата или прибора к другому без заметных потерь. Для получения, надежного электрического контакта к контактирующим поверхностям необходимо прикладывать некоторое сжимающее усилие, позволяющее довести размеры проводящей ток поверхности до нужной величины.
Электрические контакты при коммутации электрических цепей работают в самых различных условиях, пропуская токи от долей микроампера до тысяч и десятков тысяч ампер. Естественно поэтому, что конструкция, форма, размеры контактных поверхностей, материалы, применяемые для их изготовления, могут быть самыми разнообразными.
Электрические контакты принято разделять на три вида: неподвижные, скользящие и разрывные.
Классификация электрических контактов проведена в зависимости от условий их работы в цепях электрического тока, т. е. от характера коммутации тока.
Неподвижные контакты либо вовсе не коммутируют ток, создавая постоянное соединение, либо коммутируют его редко. К неподвижным контактам относят неразъемные (сварные, паяные) и разъемные(зажимные, штепсельные) контакты. Характерной особенностью неподвижных сварных и паяных контактов является отсутствие заметного износа и длительный срок службы.
Незначителен износ и зажимных контактов, чего нельзя сказать о штепсельных контактах, имеющих ограниченный срок службы. Примером сварных контактов может служить соединение проводов воздушных линий и жил кабелей. Паяные контакты широко используются при монтаже многих видов электрорадиоэлементов в электрических аппаратах и приборах.
Зажимные контакты применяются в аппаратуре токораспределения низкого и высокого напряжения (шины токораспределительных щитов, пультов управления и т. п.).
Штепсельные разъемы также получили большое распространение. Они соединяют электрические цепи отдельных узлов блоков, приборов, аппаратов в наземной стационарной и подвижной аппаратуре, а также в бортовой аппаратуре самолетов.
Скользящие контакты обеспечивают непрерывную коммутацию тока между подвижной и неподвижной частями электрических машин, аппаратов и приборов. К скользящим контактам относятся, например, коллектор, кольца и щетки в электрических машинах, обмотки и ползунки в реостатах и потенциометрах. Скользящим контактам электрических машин свойственны непрерывное трение и быстрый износ контактирующих поверхностей.
Разрывные контакты периодически коммутируют цепи электрического тока — производят их замыкание, размыкание, переключение. для разрывных контактов характерна работа в сложных условиях замыкания и разрыва электрической цепи. При этом, как правило, возникает дуговой или искровой процесс, что ведет к постепенному разрушению материала контактных поверхностей. Разрывные контакты могут разрушаться в результате:
— коррозии, возникающей при химической реакция во время появления искры или дуги;
— эрозии, т. е. переноса металла с контакта на контакт при прохождении электрического тока;
— износа, вызываемого своеобразием характера работы разрывных контактов,— ударами и трением одного контакта о другой.
Работа большого числа электрических приборов (реле, контакторов, выключателей) основана на использовании разрывных контактов.
НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Надежность работы электро- и радиотехнических устройств и, в частности, электрических контактов — это свойство сохранять непрерывную работоспособность со стабильностью не ниже разрешенной техническими условиями. Иначе, надежность — это безотказность в работе. Надежность электрического контакта определяется как вероятность Р выполнения им основной задачи, например замыкания какой-то цепи в течение заданного времени. Надежность контактов при их работе не гарантируется полностью; возможны отказы, вызываемые химическими (образование непроводящих пленок), тепловыми, электрическими (перегрев и разрушение) и механическими (разрушение) причинами.
Возможные отказы в работе электрических контактов трудно прогнозировать. Как правило, они относятся к случайным явлениям. К внезапному отказу в работе могут привести количественные и качественные изменения как внутри контактной пары, так и вне ее (коррозия, эрозия, чрезмерное увеличение тока или температуры, удары, толчки, вибрация).
Кроме внезапных отказов наблюдаются явления постепенного нарастания дефекта, приводящие к прекращению работы контакта. Суммарная надежность Р контакта может быть определена как произведение надежности при действии внезапных отказов Рво на надежность при действии постепенных отказов Рпо, а именно:
Р = Рво х Рпо.
При определении качества электрического контакта также важен и параметр, называемый долговечностью и и определяющий время, в течение которого электрический контакт выполняет возложенные на него функции, заметно не ухудшая параметров, заданных техническими условиями.
Нарушение работоспособности электрических контактов может быть вызвано:
— отсутствием графика профилактических работ или невыполнением по утвержденному графику работ по осмотру, чистке и регулировке контактов, а также плохим или неквалифицированным выполнением этих работ;
— недопустимым изменением режимов работы контактов в частности пропусканием через контакты токов короткого замыкания и токов, превышающих разрешенные техническими условиями;
— механическим износом, истиранием, переносом металла с контакта на контакт, осыпанием и испарением материала во время дуговых процессов.
Большое влияние на интенсивность отказов оказываю климатические условия и механические воздействия. Для некоторых видов контактных систем найдены уравнения, позволяющие определять интенсивность отказов в зависимости от эксплуатационных параметров, величин коммутируемого тока и числа коммутационных операций.
УСЛОВИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Надежность работы электрических контактов в основном зависит от их конструкции, но часто электрические узлы, приборы и аппараты выходят из строя вследствие недостаточно правильной эксплуатации, нарушения установленного графика профилактики и ремонта. На надежность электрических контактов существенно влияют среда, в которой они находятся и работают, а также различные механические воздействия.
Ремонт узлов, приборов, аппаратов и установленных в них электрических контактов бывает текущий и капитальный.
Текущий ремонт включает в себя работы, не вызывающие необходимости разборки аппаратуры и приборов. Например, в электрических машинах замена износившихся щеток новыми, пришлифовка их, промывка, шлифовка и полировка коллектора проводятся при текущем ремонте.
Капитальный ремонт обычно связан с длительной остановкой и разборкой аппаратуры. Так, проточка коллектора или колец требует разборки машины и относится к капитальному ремонту. Планово-предупредительный осмотр и ремонт контактов, а в необходимых случаях замена их повышают надежность работы узлов, приборов и аппаратуры. Надежность особенно возрастает в том случае, когда обслуживающий персонал знаком с основами теории работы контактов всех видов, умеет быстро находить и устранять дефекты, возникающие при их работе.
Окружающая среда оказывает существенное влияние на работу электрических контактов. Влажность воздуха в разных климатических поясах и в разное время года неодинакова. Повышенная влажность — одна из основных причин, которая может нарушить нормальную работу контактов. Понижает надежность работы контактов и загрязнение воздуха в виде дымов и пыли. Если влага может вызвать коррозию, контактов, то дымы приводят к покрытию поверхности контактов не проводящими ток пленками, а твердые частицы пыли способны изолировать контакты относительно друг друга на короткое или продолжительное время.
На скорость протекания коррозионных процессов и образование окисных пленок влияет температура окружающей среды (чем выше температура, тем активнее эти процессы).
Отрицательно влияют на надежность работы электрических контактов пониженное атмосферное давление, ультрафиолетовые и другие излучения Солнца, морской туман, морская вода, а также грибковые и бактериальные воздействия.
Наиболее сложны условия эксплуатации электрических контактов в тропических областях, где очень высоки температура и влажность воздуха. В такой среде процесс коррозии идет особенно быстро.
Многие электрические контакты в процессе эксплуатации подвергаются непрерывным или периодически возникающим механическим воздействиям: ударам, линейным ускорениям, вибрациям. Создаваемые при этом ускорения достигают иногда десятков и сотен. Наиболее чувствительны к механическим воздействиям разрывные и скользящие контакты, что необходимо учитывать при их эксплуатации.
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИМЕНЯЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ
Процессы, протекающие при работе электрических контактов, отличаются большой сложностью. На них влияют физико-химические свойства примененных материалов, окружающая среда, механические и электрические нагрузки. Поэтому к материалам, предназначенным для изготовления контактов, предъявляют следующие требования: механический (истирание), химический (коррозия) и электрический износ (эрозия) должны быть минимальными. Кроме того, материалы должны обладать достаточной электро- и теплопроводностью и иметь минимальную способность к свариванию.
Контактные материалы в большинстве своем лишь частично удовлетворяют перечисленным требованиям. Например, некоторые материалы, обладая хорошей электро- и теплопроводностью, не имеют достаточной твердости и быстро окисляются.
При расчете и изготовлении электрических контактов выбирают материал, наиболее полно удовлетворяющий всем требованиям, предъявляемым к работе данной контактной пары.
Для электрических контактов используются:
твердая медь — для изготовления пластин коллекторов электрических машин, токоведущих деталей электрической аппаратуры, шин распределительных устройств, кабельных наконечников, токоведущих деталей электроустановочной арматуры, щеточных контактов, зажимных и присоединительных болтов и винтов;
мягкая медь — для изготовления проводов воздушных линий связи и линий сильного тока, жил кабелей и электрорадиомонтажа;
латунь для изготовления токоведущих деталей электроаппаратуры (винтов, губок рубильников, предохранителей) и электроустановочной арматуры, крепежных деталей электрической аппаратуры и наконечников;
бронза — для изготовления коллекторных пластин и токоведущих деталей электроустановочной арматуры;
алюминий — для изготовления проводов воздушных линий связи и жил кабелей, шин электрической аппаратуры;
сталь — для изготовления проводов воздушных линий связи, гнезд, токоведущих частей специальной электротехнической аппаратуры;
серебро, а также другие благородные и редкие металлы—для разрывных контактов аппаратов, контакторов постоянного и переменного тока, контактов электромагнитных реле управления;
сплавы типа константан, нихром, фехраль, хромаль — для регулируемых сопротивлений;
электротехнический уголь и графит — для изготовления щеток электрических машин, угольных реостатов.
Это далеко не полный перечень проводниковых материалов, применяемых для изготовления различных электрических контактов (постоянных, скользящих и разрывных).
СТРОЕНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлы и их сплавы имеют кристаллическое строение, т. е. их атомы образуют правильные геометрические объемные формы — решетки. В пространственной кристаллической решетке атомы металла располагаются по определенному закону более или менее плотно в зависимости от физических свойств металла. Наиболее распространены в природе четыре типа кристаллических решеток: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, гексагональная и простая тетрагональная. От типа решетки и расстояния между атомами зависит величина внутренних связей атомов.
Прочность твердых кристаллических веществ зависит от вида связи соседних атомов. Наиболее распространены следующие четыре вида связи.
Ковалентную, или гомеополярную, связь имеют многие кристаллические тела неорганического происхождения, для этой связи характерно объединение части электронов из соседних атомов. Это приводит к устойчивой законченной структуре внешнего слоя. Ковалентную связь имеют кристаллические решетки кремния, германия.
Для изготовления электрических контактов используют черные и многие цветные металлы и их сплавы, а также углерод в виде графита, угля и углеродистых соединений. Из цветных металлов для контактов применяют: тяжелые металлы — медь, олово, свинец, цинк, никель, кадмий; легкие— алюминий; малые— ртуть, висмут, кобальт; благородные — золото, платина, серебро и редкие — вольфрам, молибден, родий, палладий.
ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Современная теория электрических контактов еще разрабатывается и не все физические явления, происходящие между контактами, до конца исследованы и объяснены. Тем не менее многие теоретические вопросы уже разрешены, а имеющийся опыт позволяет давать полезные рекомендации по эксплуатации и ремонту электрических контактов.
Общая теория электрических контактов распространяется на все виды практически применяемых контактов — неподвижных, скользящих и разрывных. Теория основывается на понятиях о контактной поверхности, области стягивания, сопротивлении стягивания, тепловых эффектах, пленках потускнения, контактном давлении и других положениях, характеризующих работу контактов любого назначения и вида. Работа большинства электрических контактов тесно связана с дуговым и искровым процессами, затрудняющими эксплуатацию контактов, поэтому в общей теории электрических контактов рассматриваются также явления дугообразования и методы борьбы с ними.
КОНТАКТНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
В технике под поверхностью понимают границу между реально существующими телами и окружающей их средой. Простейшая форма поверхности — плоскость. Практически невозможно получить строго заданную форму поверхности, часто в этом и нет необходимости.
Всякая реальная плоскость может быть представлена как часть некоторой криволинейной поверхности с очень большим радиусом кривизны. Следовательно, такая поверхность обладает определенной стрелой прогиба. Величина прогиба в основном зависит от метода изготовления поверхности и условий ее работы. Стрела прогиба характеризует величину отклонения реальной плоскости от идеальной; ее значение обычно колеблется в пределах от нескольких миллиметров до миллионных долей миллиметра. Поверхность реальных плоскостей обычно имеет волнистость с крупным шагом. С помощью оптического или электронного микроскопа можно увидеть и более сложные построения отдельных микрогеометрических элементов поверхности.
В технике поверхности принято делить на ровные гладкие, ровные шероховатые и неровные. Лишь некоторые поверхности оптических приборов условно могут быть отнесены к гладким. Поверхности электрических контактов, как правило, являются шероховатыми.
В зависимости от назначения все поверхности сводят в две группы — А и Б. Поверхности группы А в процессе эксплуатации действуют активно, т. е. работают на износ, воспринимают нагрузки, испытывают трение. Это детали со сравнительно хорошей макро- и микрогеометрией. К ним относятся и поверхности электрических контактов. Поверхности группы Б в процессе эксплуатации пассивны, т. е. они не взаимодействуют с другими поверхностями, однако улучшают внешний вид изделий и защищают их от коррозии.
Долговечность электрических контактов электро- и радиоустройств в значительной мере определяется качеством их поверхности. Качество поверхности зависит от чистоты (микрогеометрии) и физико-химических свойств металла в тонких верхних слоях (твердость, микроструктура, остаточные напряжения и т. п.). Форма неровностей поверхности значительно влияет на следующие эксплуатационные свойства электрических контактов: износоустойчивость трущихся поверхностей, усталостную прочность, сопротивляемость эрозии, коррозионную устойчивость.
Так как абсолютно гладкие поверхности получить невозможно, то практически поверхности двух соединенных электрических контактов соприкасаются между собой лишь в некоторых точках. При сжатии контактных металлических поверхностей происходит раздавливание металла в местах выступов(шероховатостей) и превращение их в маленькие поверхности — очаги проводимости, или пропускания тока.
Зона полной проводимости находится в месте наибольшего давления между контактами; при этом частицы металла либо плотно входят друг в друга, либо прижаты друг к другу.
Зона неполной проводимости состоит из поверхностей, покрытых очень тонкими пленками (толщиной в один или несколько атомов, молекул). Через такие пленки благодаря туннельному эффекту электроны могут переходить из одного металл в другой, точнее, от одной контактной поверхности к другой. Следует отметить, что туннельный эффект имеет место при работе многих типов электрических контактов.
Зона непроводимости начинается там, где невозможен туннельный эффект, где пленки окисления(потускнения) имеют значительную толщину.
Деформации контактных поверхностей могут быть как упругими, так и пластическими.
При упругих деформациях, возникающих при сравнительно небольших силах сжатия, выступающие участки поверхностей входят в механическое соприкосновение. Пластические деформации возникают тогда, когда давление на контактирующие поверхности возрастает настолько, что достигается предел упругости, В результате появляется остаточная деформация, материал начинает течь. Величина деформации обратно пропорциональна твердости металла, Одни металлы хорошо сопротивляются оказываемому на них давлению, так как они достаточно тверды, другие — плохо, так как они пластичны, легко деформируются, образуя большое количество очагов проводимости значительных размеров. Пластичные металлы предпочтительнее для использования в качестве электрических контактов. Очаги проводимости в них дают более надежный электрический контакт, так как возникают значительные по размерам зоны полной проводимости.
ОБРАЗОВАНИЕ ПЛЕНОК НА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
На поверхностях электрических контактов, соприкасающихся с атмосферой, образуются пленки. Как правило, эти пленки имеют сложный химический состав. Одним из компонентов пленки является металл контакта, другим — кислород, сера и прочие химические реагенты, оседающие на поверхности металла. Например, атомы кислорода сначала создают на поверхности металлов тонкую одноатомную пленку сцепления, которая со временем и при повышении температуры утолщается.
Толщина образующихся пленок зависит от химической активности металлов, степени их очистки и полировки, состояния и химического состава среды, в которой находятся контакты. Так, в чистом воздухе окисная пленка алюминия имеет толщину 10—15 нм, а цинка— лишь 0,5—0,6 нм. Нижеприведенные цифры говорят о скорости проникновения в глубину металлов атмосферной коррозии. Она составляет: для свинца—4 мкм/год, алюминия — 8 мкм/год, меди и олова — 12 мкм/год, цинка — 50 мкм/год и железа —200 мкм/год.
Физико-химические процессы, идущие при образовании различных пленок, отличаются друг от друга, поэтому пленки принято разделять на адгезионные, пленки потускнения, пассивирующие, водяные и пленки граничной смазки.
Адгезионные пленки. Пленки этого вида имеют относительно малую толщину, не превышающую 2,5—З нм. Благодаря действию туннельного эффекта они не являются изоляторами цепи электрического тока.
Если толщина пленки превышает 2,5—З нм, туннельный эффект прекращается, а электроны уже не могут преодолеть достаточно большой потенциальный барьер и пленка становится диэлектриком.
Пленки потускнения. Эти пленки, как правило, относятся к диэлектрическим пленкам. Их появление на поверхности чистых металлов приводит к потере последними блеска, вследствие чего такие пленки и названы пленками потускнения. Очень часто создаются две разновидности пленок потускнения: окисные пленки (соединение металла с кислородом воздуха) и сульфидные пленки (соединение металла с серой).
Сопротивление пленок потускнения зависит (помимо остальных факторов) от строения кристаллической решетки металла. Обычно пленки, образующиеся на поверхности металла, имеют неравномерную толщину.
Молекулы кислорода, соприкасаясь с поверхностью металла, сначала связываются с металлом наиболее слабыми, остаточными связями силами Ван-дер-Ваальса. Как известно, эти силы значительно слабее сил металлических связей, образующих твердые кристаллические тела металлов за счет связи положительных ионов (ядер) с валентными электронами.
Однако дальнейшее продолжение процесса окисления может изменить характер связей, так как атомы кислорода, проникая в кристаллическую решетку металла, способны создавать более или менее прочные решетки из окислов.
Процесс образования окисной пленки идет по следующей схеме: кислород осаждается на поверхности металла, атомы металла диффундируют в пленку кислорода, происходит химическая реакция, заканчивающаяся появлением молекул окисла. Повышение температуры способствует ускорению процесса диффузии и образования окисных пленок. Этот процесс активизируется также в случае возникновения искро- и дугообразования, при длительном прохождении тока и длительном нахождении электрических контактов в среде, богатой кислородом или другими активными реагентами.
На поверхностях некоторых металлов окисные пленки создаются чрезвычайно быстро (доли секунд или секунды), на других они формируются в течение минут.
Предельная толщина пленки зависит от химической активности металла с кислородом.
Многие металлы, часто используемые для изготовления контактов, покрываются пленками потускнения. Так, например, на поверхности никеля при невысоких температурах окисная пленка формируется очень медленно, но в среде с высокой температурой толщина ее может быстро увеличиваться. В конце концов постепенное утолщение пленки приводит к разрыву электрической цепи.
Соединение концов проводов из алюминия и обеспечение при этом надежного электрического контакта — задача довольно сложная, так как образование непроводящей электрический ток плотной окисной пленки толщиной до 10—15 нм происходит с большой скоростью— длится лишь десятки секунд.
Латунь сравнительно легко окисляётся, поэтому использование ее для изготовления контактов нежелательно.
Бронза при нормальной температуре заметно не окисляется.
На поверхности вольфрама изолирующие пленки не образуются, если температура среды не достигает больших величин.
Золото, даже при высокой температуре, заметному окислению не подвержено. На его поверхности может образовываться лишь тонкий слой адгезионной пленки.
Платина не окисляется, но при соединении с некоторыми газами углеводородного характера может создавать на своей поверхности полуизоляционные пленки, приводящие к некоторому увеличению контактного сопротивления.
Серебро окисляется весьма незначительно. Окисные пленки на серебре непрочны и легко снимаются как под действием повышенной температуры, так и механических усилий. Значительно более опасными и прочными являются пленки, образуемые серебром с серой и ее соединениями, особенно в присутствии влаги. Серебро при этом тускнеет, на его поверхности появляются темные пятна. Однако при определенных механических сдавливающих усилиях пленка потускнения на серебряных контактах может разрушаться, в результате чего появляются очаги проводимости (пропускания).
Существует ряд способов снятия пленок потускнения с поверхности металлов в целях улучшения электрического контакта. Слой пленки можно счищать напильниками, наждачной бумагой, снимать химическими методами. Кроме того, возможно разрушение пленок с помощью встряхивания, вибраций, приложения ударных или статических сдавливающих усилий. Такие методы называются искусственным старением. Поскольку часто адсорбированный на поверхности металла кислород бывает связан с металлом лишь незначительными, остаточными силами Ван-дер-Ваальса, то пленки в сами по себе с течением времени могут растрескиваться и отваливаться, что ведет к улучшению электрического контакта. Этот процесс постепенного улучшения контакта при длительной его эксплуатации называется естественным старением.
Помимо рассмотренных выше методов естественного и искусственного старения и разрушения пленок потускнения известно явление электрического пробоя пленок— фриттинг, также приводящее к восстановлению электрической цепи.
Так, если толщина пленки потускнения весьма значительна и составляет, например, З0—40 нм, удельное электрическое сопротивление образованного диэлектрического слоя будет велико (10—1000 Мом см). В этом можно убедиться, если подвести напряжение к двум сторонам пленки потускнения и включить в цепь амперметр и вольтметр. Установив минимальное напряжение, например, менее одного вольта, можно увидеть, что ток цепи практический отсутствует (составляет доли или единицы микроампер). Если затем увеличивать напряжение, то при каком-то его значении произойдет резкое увеличение тока в цепи. Этог эксперимент позволяет сделать вывод, что при определенной величине напряжения происходит электрический пробой диэлектрической пленки и восстановление очагов проводимости(пропускания). Пробой пленки потускнения есть процесс разрушения диэлектрика и появления канала, заполненного проводящими ток электронами и ионами. В месте пробок возникает высокая температура, металл расплавляется, проникает через пленку потускнения и создает мост для электрического тока. Пробой пленок потускнения происходит в тот момент, когда напряженность электрического поля на границах пленки достигает величины 1—10 Мв/см.
Если энергия электрического пробоя относительно небольшая и не приводит к расплавлению металла в месте пробоя, то около очагов пробоя пленка потускнения лишь как бы тает (утоньшается), отчего площадь освобожденной от пленки поверхности электрического контакта несколько увеличивается.
Пассивирующие пленки. Промежуточными по проводимости между адгезионными пленками и пленками потускнения являются пассивирующие пленки. Пассивирующие пленки иногда создаются на поверхностях некоторых металлов с валентностьхо 2 и более (например, цинка). Толщина таких пленок более или менее постоянна и равна 1,0—1,5 нм, однако электрическое сопротивление пассивирующих пленок несколько изменяется со временем в зависимости от степени влияния туннельного эффекта.
Водяные пленки. Водяные пленки могут образовываться на поверхностях всех металлов, но их толщина для разных металлов неодинакова. Если относительная влажность в атмосфере превышает 70——80%, то вода адсорбируется на поверхности металла, создавая слой толщиной до 5 нм на благородных металлах и до 10 нм на других металлах.
Вода, появившаяся на поверхности металла, растворяет его верхние слои; при этом ионы металла уходят в воду. По истечении некоторого времени дипольные молекулы воды, несущие электрические заряды, создают на поверхности металла электрическое поле и переводят некоторое количество ионов металла в раствор, после чего они уже не могут более поддерживать разность потенциалов, достаточную для продолжения процесса движения ионов, и последний прекращается. Так создается состояние динамического равновесия и образуется водяная пленка определенной толщины.
Несколько иначе идет процесс образования пленки на поверхности железа. Молекулы располагаются на сравнительно больших расстояниях друг от друга, создавая бугорки, под которыми легко продолжается этот же процесс. Бугорки постепенно растут, становятся тяжелее и без труда отваливаются от поверхности металла. Если влажность атмосферы, в которой находится кусок железа, значительна (80—90%), такой процесс может продолжаться непрерывно. Описанное явление называется коррозией железа или ржавлением. Изделия из железа, подвергающиеся ржавлению, постепенно становятся все тоньше, металл в конце концов рассыпается на отдельные куски и переходит в окружающее пространство в виде мелких частиц пыли коричневого цвета.
Скорость коррозионных процессов связана с климатом и характером местности. Например, в сельской местности с умеренным климатом железо коррозирует со скоростью около 2,6 мкм/год, в городах того же пояса — со скоростью 200 мкм/год, а в тропическом поясе на берегу моря — до 620 мкм/год.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ И ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА НИХ
Электрические разрывные контакты могут находиться в одном из трех возможных положений:
— контакты замкнуты и ток без затруднений проходит через них;
— контакты разомкнуты, находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, между ними имеется значительный по толщине слой диэлектрика, например воздуха, и прохождение тока поэтому исключается;
— контакты были замкнуты и началось их размыкание или контакты были разомкнуты и началось их сближение до появления между ними наименее возможного расстояния называемого зазором. В этом случае, хотя прямого металлического контакта еще нет, все же может создаться цепь электрического тока благодаря возникновению в зазоре между контактами искрового или дугового процесса.
В третьем возможном положении контактов величина тока может быть непостоянной, а поэтому режим работы контактов при наличии зазора называется нестационарным, или неустановившимся переходным. При конструировании контактов стараются рассчитать их так, чтобы длительность неустановившегося режима работы была минимальной.
В идеальных замкнутых контактах вся геометрическая поверхность является проводником электрического тока. В реальных замкнутых контактах ток проводят отдельные очаги проводимости (пропускания), поэтому электрическая проводимость реальной поверхности во много раз меньше электрической проводимости идеальной поверхности.
В случае идеальных контактов их электрическое переходное сопротивление можно было бы не принимать во внимание вследствие его малости. Однако поскольку электрический ток проходит лишь через очаги проводимости (пропускания), линии электрического тока не могут распределяться равномерно по всей геометрической поверхности контактов. Они вынуждены стягиваться к местам расположения очагов проводимости (пропускания) и искривляться. Естественно, что стягивание и уплотнение линий тока ведет к увеличению электрического сопротивления прохождению тока в очагах проводимости (пропускания). Это добавочное сопротивление принято называть сопротивлением стягивания. Когда поверхность, проводящая ток, составляется из многих очагов проводимости (пропускания), результирующее сопротивление стягивания определяется как величина, обратная сумме проводимостей отдельных очагов. Во многих случаях определение сопротивления стягивания представляет собой трудную задачу, так как приходится учитывать очень сложную форму отдельных очагов проводимости (пропускания), находить размеры очагов, расстояния между ними и одновременно считаться с неравномерностью их расположения на контактной поверхности. К тому же сопротивление каждого очага проводимости(пропускания) меняется с изменением температуры поверхности контактов и со временем.
Если же на поверхности очагов проводимости (пропускания) появляются пленки, например пленки потускнения, рабочая поверхность очагов вследствие этого уменьшается и еще более усиливается эффект стягивания линий тока. Создается дополнительное сопротивление, вызываемое пленками потускнения, расположенными на поверхностях обоих контактов.
Следовательно, контактное сопротивление Rконт — это добавочное сопротивление поверхности контактов, появляющееся за счет сужения участков, проводящих ток, как вследствие наличия лишь отдельных очагов проводимости (пропускания), и вследствие появления на них пленок потускнения.
Если известны величина добавочного переходного контактного сопротивления Rконт и проходящий через контакты ток I, можно определить добавочное падение напряжения на контактах от эффекта стягивания линий тока:
Ucт = IRконт.
В идеальном случае, когда два контакта соединены между собой по всей геометрической поверхности, т. е. отсутствуют линии стягивания и пленки потускнения, переходное контактное падение напряжения будет определяться как
Uпер = IRпер,
где переходное контактное сопротивление Rпер намного меньше Rконт. Так как последний случай практически не реален, то, измеряя переходное падение напряжения между контактами, фактически находят величину добавочного падения напряжения Uст.
Атмосферные и другие воздействия могут приводить к многократному увеличению добавочного переходного контактного сопротивления вследствие коррозии.
ИНДУКТИВНОСТЬ И ЕМКОСТЬ КОНТАКТОВ
Стягивание линий тока в пучки, проходящие через очаги пропускания, не может не увеличивать индуктивности контактов. Обозначив индуктивность контактов при отсутствии стягивания линий тока к очагам проводимости (пропускания) через L1, а реальную индуктивность в состоянии стягивания линий тока через L2, можно определить увеличение индуктивности за счет стягивания как Lдоб=L2 — L1.
Индуктивность контактов весьма незначительна.
При пропускании, например, через разрывные контакты переменного тока действует поверхностный эффект, заключающийся в увеличении электрического сопротивления контактов, так как линии тока вытесняются из внутренней части контактов к поверхности, а следовательно, эффективное сечение их уменьшается.
Между контактами имеется емкость, которая зависит от поверхности контактов, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды. Наличие емкости может приводить к возникновению сил электростатического притяжения между контактами.
ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОНТАКТОВ ОТ МЕХАНИЧЕСКОГО СЖАТИЯ
Размеры контактной поверхности, а следовательно, и электрическая проводимость прямо пропорциональны величине механического усилия сжатия, приложенного к контактам. Характер изменения проводимости при малых, средних и больших контактных усилиях несколько различается, но во всех случаях сдавливание контактов ведет сначала к упругой, а затем — к пластическои деформации; естественно, что вместе с изменением сдавливающего усилия изменяется внутреннее напряжение в металле.
Контактная проводимость определяется путем измерения величины тока протекающего через контакты, и падения напряжения между ними, после чего находится величина проводимости.
Электрическая проводимость контактов при малом сжатии
Малым принято называть такое сжатие контактов, при котором прикладываемые механические усилия составляют тысячные и сотые доли грамм-силы. У контактов из разных металлов характер возрастания электрической проводимости при увеличении контактного усилия неодинаков возможны скачки роста проводимости, замедление и даже прекращение ее увеличения.
Контактные пары (из однородных или разнородных металлов) по-разному реагируют на изменения сдавливающего усилия, например, кривые зависимости проводимости от сжатия для серебряных контактов нисколько не похожи на кривые для платиновых, никелевых, золотых или других контактных пар. Однако характер проходящих при этом процессов у них общий: сначала разомкнутое состояние контактов, затем небольшое нажатие на них, вызывающее только упругие деформации и появление электрической проводимости за счет туннельного эффекта, и, наконец, значительные нажатия, приводящие к пластическим деформациям, сопровождающимся раздавливанием пленок потускнения и образованием большого числа очагов проводимости (пропускания). При дальнейшем увеличении сдавливающих усилий плавно или скачкообразно возрастает число очагов пропускания.
Контакты из некоторых металлов (например, из золота) способны при определенных условиях не только плотно сдавливаться, но и прилипать друг к другу, что без труда можно увидеть, если снизить приложенное давление. Проводимость при этом может и не уменьшиться.
Контакты из магнитных материалов (например, никелевые) способны удерживаться притянутыми друг к другу после уменьшения или снятия сдавливающего усилия не только из-за прилипания или холодной сварки, но также вследствие намагничивания.
Электрическая проводимость контактов при среднем сжатии
Под средним сжатием понимают такое сжатие, когда контакты сжимаются с силой от долей грамм-силы до ста грамм-силы.
Характер деформации поверхностей контактов, количество и скорость образования очагов пропускания в каждом конкретном случае зависят от геометрической формы контактов, выбранных для их изготовления материалов, степени полировки поверхностей. Тщательная полировка поверхностей приводит (при прочих равных условиях) к возникновению преимущественно упругих деформаций.
Электрическая проводимость контактов при большом сжатии
При большом сжатии на контакты воздействуют силы давления от сотен грамм-силы до десятков килограмм — силы.
Характер улучшения проводимости контактов при возрастании сжатия до больших значений такой же, как и для контактов, работающих при среднем сжатии.
Большие усилия приводят к пластическим деформациям контактов, к раздавливанию металла контактов, отчего электрический контакт значительно улучшается. Явление это объясняется тем, что во многих случаях пленки потускнения имеют относительно хрупкую структуру и под влиянием больших усилий не способны, так же как и чистый металл, деформироваться пластически, а поэтому разрушаются, растрескиваются, отчего образуется большое число новых очагов проводимости (пропускания).
Проводимость контактов, находящихся под большим сжатием, более стабильна во времени, чем проводимость контактов, к которым приложены средние и тем более малые сдавливающие усилия.
ПРИЛИПАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Два разрывных контакта, сжатых некоторое время, могут прилипнуть друг к другу и остаться в таком положении после снятия усилия сжатия. Это явление объясняется совпадением структур кристаллических решеток обоих контактов, а также тепловыми эффектами, происходящими внутри материала контактов.
Возможно прилипание контактов как не нагреваемых электрическим током, так и нагреваемых.
Прилипание контактов, не нагреваемых током
Прилипание электрических контактов после снятия сжатия объясняется повышением пластичности материала, приводящей к увеличению рабочей поверхности контактов. Обычно процесс прилипания сопровождается усиленной взаимной диффузией атомов, в результате чего возрастают ковалентные и металлические связи между атомами и между кристаллическими решетками материалов обоих контактов.
Способность к прилипанию у разных металлов различна. Каждый из металлов, применяемых для изготовления контактов, обладает большей или меньшей силой прилипания. В одних случаях при прилипании преобладаю силы, вызванные высокой температурой, в других большие силы межатомного сцепления. Роль температур в процессе прилипания заключается в этом случае лишь в побочной функции размягчителя материала. Пластичные металлы могут прилипать друг к другу и без повышения температуры. Особенно легко прилипают друг к другу контакты, изготовленные из очень ковкого, пластичного металла—золота.
При сжатии контактов и их пластической деформации неминуемо происходит сдвиг или скольжение поверхностных слоев кристаллической решетки каждого из металлов контакта. Сдвиг и скольжение приводят к появлению новых граней и связей между кристаллическими решетками металлов.
Прилипание контактов возможно лишь в случае применения чистых металлов, на поверхности которых отсутствует слой окисной или иной пленки. При наличии пленок эффект прилипания ослабляется или полностью прекращается, В то же время разъединение контактов из абсолютно чистых отожженных благородных металлов, например платины или золота, возможно лишь после приложения больших усилий, почти равных и иногда даже превосходящих по величине усилия, которые необходимы для разрушения монолитной структуры металла. Силы прилипания столь значительны, что в технике используются при холодной сварке. до начала холодной сварки поверхности очищаются и рифлятся, а затем сжимаются до получения пластической деформации и взаимного соединения кристаллических решеток обоих контактов.
Прилипание контактов, нагреваемых током
Процесс прилипания электрических контактов облегчается и ускоряется при пропускании через них тока. Если величина тока достаточна, то происходит размягчение, а в ряде случаев и плавление отдельных частиц материала контактов. При этом пленки потускнения, если они образовались на поверхности контактов, могут частично или полностью разрушатся, обнажая чистый металл, что ведет к увеличению рабочей поверхности контактов, а следовательно, к повышению прочности прилипания в сваривания контактов.
Прилипание контактов из разных металлов начинается с момента размягчения более твердого металла.
Интересные записи