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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 Rc 3 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 1和 2相等 令它们等于 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 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 4r0 如果以斑点个数n为参量 绘出R n a l 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 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 r2全部导电 则一个元件的收缩电阻为 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 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 4r线形增大 n愈大 l a对R n a l 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400 以下生成Cu2O 在400 以上生成CuO 当温度超过1100 CuO又变成Cu2O 直到2000 时氧化物全部分解 W 在电弧作用下它氧化成WO3在电弧斑点周围形成 为淡黄绿色粉末 约在1700 时升华 在斑点以内形成一层多孔的易熔黑色氧化物 保护膜 某些金属表面 当膜生长到1 10nm的数量级时使停止生长 这种膜能有效地保护金属表面避免氧或其它化学的侵蚀 这种膜称为 保护膜 如不锈钢 Al的表面使生成保护膜 Al203膜是一个很好的绝缘体因此用Al作接触元件时 只有设法将接触内表而上的Al203膜破坏掉才能实现导电 不锈钢上的保护膜 因其厚度较薄 约1 2nm 放电子可借 隧道效应 而导电 保护膜只能生长到一个最大的厚度原因 保护膜的结构几乎没有不完整的 因此 离子通过膜的扩散必将受到阻碍而需要电场的帮助 在膜的外表面上负的氧离子和膜与金属内表面上相应的正离于之间形成一电场 由于离子的费米能级要提高到与金属的费米能级重合 故这个电场的总电压应为一给定值 等于1 2V 其相应的电场强度约为1 2V 单位为V m 因此 当膜厚 增加 电场强度便下降 直到膜厚增大到 max时 离子的扩散便不能维持 此时膜的生长停止 普通的贱金属材料在大气中大都生成暗膜 贵金属在空气中不易氧化 但可能与某种气体作用生成化合物 水膜或液体润滑剂本身 不考虑它们引起的电化或化学效应 对接触电阻的影响是很小的 因为当触头闭合时它们便从接触斑点处挤走 留下的单层膜能隧道导电 电池效应 水膜的存在使触头表面产生局部电池效应 即使触头是一种材料 不能避免 例如Fe 它的纯金属斑点作为局部电池的阳极 其它覆盖氧化物或沾污 如炭 的斑点作为阴极 这就在不同的斑点之间形成电流而产生局部电池效应 会生成一种海绵状的氢氧化物俗称铁锈沉淀下来 铁锈的生成过程常比氧化膜生长快得多 因此对接触有很大危害 摩擦异量 接触表面的固体沉积物即使沉积的厚度不大比如说1nm 也会使接触电阻增大 甚至导致接触失效 工业大气中的有机蒸气在触头的润滑作用下会形成高分子量的无定形固体颗粒 它在接触面上堆积起来将触头绝缘 例如Pd触头 在闭合撞击和摩擦作用下 不论有无电流 在触头表面形成褐色的绝缘粉末 这些粉末是一种异量的有机物 它与原始蒸气的成分相同 分子量不同 称为 摩擦异量 实验研究得出 不仅是Pd 还有Pt Ru Mo Ta和Cr都是形成褐色沉积物的触媒剂 Au形成这种固体沉积物的效应很小 Ag Ni Cu Fe W完全没有 上述的异量化效应在炭氢化合物中普遍存在 其中乙炔和芳香族效应最明显 只有甲烷不存在异量化 如果触头产生电弧 电弧将部分沉积物烧掉变成炭 这些炭化物能帮助触头在闭合过程中引燃电弧 进一步研究得出 摩擦异量 的形成不一定需要摩擦 只是形成得很性而己 在工程应用中 为了避免大气中有机蒸气和其它有害气体对触头的侵害 一些电器的触头采用了密封式的结构 例如舌簧继电器的触头就密封在玻璃泡内 3 6薄膜导电 隧道效应 由量子力学理论可知 根据德布罗意波的性质 电子能够穿过膜而导电 电子具有穿透位垒而导电的现象称为隧道效应 观察不到隧道电流的存在 元件2的电压比元件1低 可观察到隧道电流由元件1流到元件2 F L为两金属的费米能级 阴影线代表电子占据的能级 最左和最右曲线表示电子能级E的分布 能量标尺垂直向上 y标尺表示电子密度 为膜厚 中的曲线表示位垒 Ex低于位垒的高 电子由元件1向元件2运动 并在2出现电子 这就说明电子隧道透过了位垒 这个过程表明 电子在元件2中出现而不是电子跃过位垒 电子总能量不变化 电子隧道透过位垒期间 德布罗意频率保持不变 三种型式的隧道效应 第1种隧道效应型式 其特点是两元件之间的电压很小 比如说电压趋于零此时效应是欧姆型的 即电流密度正比于电压 第2种型式的特点是电压很高 为 场发射 型 其电流密度主要决定于电场 第3种型式介于1和2之间 即电压为中等大小 电流密度比电压上升更快 当电压很高时 便趋近于场发射 隧道电阻率 隧道电阻率 U为接触元件之间的电压 J为电流密度 隧道电阻率是许多因素的函数 这些因素主要有气隙宽 膜厚 接触元件1和2的电子发射功函数 作用的电压u 气隙材料 膜的相对介电常数 3 7暗膜击穿 熔解现象 一对触头接触 夹有高电阻率的暗膜 膜厚几十nm 在触头的两端加上一电压 电压由低升高 开始电压很低时 暗膜的电阻率很大 通过触头的电流极其微弱 当电压升高到几伏 加5v 此电压称为膜的熔解电压 用uf表示 触头间相应的电压梯度达到108v m的数量级时 电流突然增大接触电压立即下降 这说明暗膜已被击穿 熔解 并形成导电通道 形成了一个导电斑点 这个斑点能够在接触电压低于触头材料的熔化电压但高于软化电压的情况下传导电流 绝缘暗膜的击穿通常假定开始于场发射或齐纳效应 由于强电场作用使边界位垒斜度增大并且变薄 以致电子能隧道通过位垒 暗膜的厚度不十分均匀 电子自动选最容易穿透的一个窄的通道通过 通道内膜被电流急剧加热 造成膜在此处熔解 最后 熔化的金属吸入通道形成金属桥接 电的效应 通道的截面可看成是电流收缩处的截面 半径为d 电流决定于电位梯度 梯度线的弯曲程度决定于膜表面的电荷 膜开始熔解时 电压变得比熔解电压还小 而要维持电流连续流过这个被膜包围的通道 这个电压是太小了 于是 产生了这样的效应 冲击电子停在膜上 使膜的一边留下负离子电荷 同样 膜的另一边有正离子电荷 这些电荷迫使电流入射路线弯曲 从梯度E出现的瞬间起 膜表面上的离子便受一向外的推力使其运动 膜向外推移的结果使通道扩大 对膜熔现象有两类熔解 熔解电压在几伏的数量级 称为A类熔解熔解电压只有几十毫伏 称为B类熔解 3 8接触电阻公式和实验特性 小接触力下 接触电阻具有很大的分散性 并符合一定的统计分布特性 如果把膜电阻略去不计 大接触力F接触电阻的最小极限值 在小接触力下 接触面为弹性变形 接触电阻与接触力的关系为 氧化膜接触的虚线特性比清洁接触的实线特性有更大的斜度 第四章电接触稳态热效应 导体与导体接触处由于有接触电阻的存在 当电流通过它时必然产生焦耳热 使接触点局部区域温度升高 温度升高会促进表面膜的生长 使接触电阻增大 严重时接触点的温度可达接触元件材料的软化点 熔化点 甚至沸腾点 最后使两接触面产生金属的焊接 开关电器 当开关发生金属性的熔焊触头不能被开关的分闸力断开 开关便失去它的工作职能 在机械加工工业中 电接触的热效应却被广泛应用于金属薄板的焊接即所谓的接触焊 研究电接触热效应的根本目的就是要找出导电斑点及其附近的温度大小和分布 找出难于测量的导电斑点温度与易于测量的接触电压 或通过的电流 之间的关系 找出接触电压 或电流 则导电斑点的温度间接可知 在均匀场情况 电路 传热 在非均匀情况下 只要两者的数学模型和边界条件相同 根据这个场的类比关系式即可导出电接触收缩区中电位与温度间的关系 称为 为 关系 4 2对称收缩区中 关系的证明 对称接触必须满足以下的假定条件 1 接触内表面中各导电斑点彼此相距甚远 以致斑点之间的电位场和温度场互不干扰 即所谓的 长收缩 因此 在作理论分析时使可只研究其中的一个导电斑点 并认为其收缩区延伸到无限远 2 两接触元件为相同的材料 电阻率和热导率相等 3 忽略热电效应 4 两个半无限大收缩区中电位场和温度场完全对称且重合 由于两半无限大收缩区中对称点的温度相等故没有热流从一个元件流到另一个元件中去 根据傅立叶热传导定律 4 3 关系的应用 魏德曼一弗兰芝定律 自由电子对热导率的供献和对电导率的供献之比 式中L 洛伦兹函数 在常温下L 2 45xl0 8V K称为洛伦兹常数 e是金属的热导率 的主要部分 因而有 对接触总电压为U的长收缩情况来说 将积分上下限换成T0 T 和0 1 2U以后即可得 洛伦兹常数L实际上只是在一定温度范围内才可视为常数 对贵金属材料 软化温度约在400一800 范围内 其L的平均值为2 5xl0 8 v K 如果假定T0 300 则导电斑点最高温度可由下列经验式计算 对于熔点较高的铂类金属 4 4非对称接触 关系问题 1 一个半无限大收缩区并不延伸到无限远 而是限制在离接触点一定的距离r以内 r大于导电斑点半径 因收缩区距离的不对称造成的影响 这可以用一系数 1 来修正 2 两接触元件具有不同的电阻率 h为最高温度的等温面顶端与接触面Ac之间的距离 3 两接触元件共有不同的或差别极大的热导率 4 两接触元件对称点的温度不同 因而有热流流过接触面 5 两种不同金属材料接触 在接触处产生帕尔帖热 6 考虑汤姆逊效应热 7 电流路径不垂直通过接触导电面Ac 薄膜对 关系的影响 苛勒效应 含有薄膜的电接触 电子借隧道效应穿过薄膜而导电电子隧道透过薄膜时并不改变它们的能级但因电子到达阳极对具有比极更低的负电位 放电子到达阳极有一剩余动能以热的形式放出 使阳极的温度比阴极更高 这就是所谓的 苛勒效应 苛勒效应放出的热一部分通过薄膜又流回阴极 而剩下的部分便流入阳极收缩区 阳极 阴极 4 6焦尔热对收缩电阻的影响 在一定温度范围内 均匀截面导体的热态电阻R 与冷态电阻R o 及温度 之间的关系常用线性函数表示 1 收缩电阻的本质就是金属电阻 当电流通过收缩区引起焦耳热使收缩区的温度升高 同样造成热态收缩电阻比冷态时高 但由于收缩区相当于非均匀截面的导体 沿电流路径的各等位面相等温面上