Tiếp xúc điện hoàn hảo, ảnh hưởng của tính chất vật liệu, áp suất và kích thước đối với điện trở tiếp xúc

Trong hầu hết các trường hợp, các tiếp điểm cố định được thực hiện bằng kết nối cơ học của dây và kết nối có thể được thực hiện bằng kết nối trực tiếp của dây (ví dụ: thanh cái trong trạm biến áp điện) hoặc bằng thiết bị trung gian - kẹp và thiết bị đầu cuối.

Các tiếp điểm được hình thành cơ học được gọi là thắt chặtvà chúng có thể được lắp ráp hoặc tháo rời mà không ảnh hưởng đến các bộ phận riêng lẻ của chúng. Ngoài các tiếp điểm kẹp, còn có các tiếp điểm cố định thu được bằng cách hàn hoặc hàn các dây được kết nối. Chúng tôi gọi những liên hệ như vậy tất cả các kim loại, vì chúng không có ranh giới vật lý phân định hai dây.

Độ tin cậy của các tiếp điểm đang hoạt động, độ ổn định của điện trở, không có hiện tượng quá nhiệt và các rối loạn khác xác định hoạt động bình thường của toàn bộ hệ thống lắp đặt hoặc đường dây có tiếp điểm.

Cái gọi là liên hệ lý tưởng phải đáp ứng hai yêu cầu chính:

• điện trở tiếp xúc phải bằng hoặc nhỏ hơn điện trở của dây dẫn trên một đoạn có cùng chiều dài;
• phát nóng tiếp xúc với dòng điện định mức phải bằng hoặc thấp hơn phát nóng dây dẫn có tiết diện tương ứng.

Năm 1913, Harris đã phát triển bốn định luật chi phối các tiếp điểm điện (Harris F., Resistance of Electrical Contacts):

1. Tất cả các điều kiện khác đều như nhau, điện áp rơi trong tiếp điểm tăng tỷ lệ thuận với dòng điện. Nói cách khác, sự tiếp xúc giữa hai vật liệu hoạt động như một lực cản.

2. Nếu tình trạng của các bề mặt trong tiếp điểm không ảnh hưởng, điện áp rơi trên tiếp điểm thay đổi tỷ lệ nghịch với áp suất.

3. Điện trở tiếp xúc giữa các vật liệu khác nhau phụ thuộc vào điện trở cụ thể của chúng. Vật liệu có điện trở suất thấp cũng có điện trở tiếp xúc thấp.

4. Điện trở của các tiếp điểm không phụ thuộc vào độ lớn diện tích của chúng mà chỉ phụ thuộc vào áp suất tổng cộng trong tiếp điểm.

Kích thước của bề mặt tiếp xúc được xác định bởi các yếu tố sau: điều kiện truyền nhiệt của các tiếp điểm và khả năng chống ăn mòn, vì tiếp xúc với bề mặt nhỏ có thể bị phá hủy do sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn từ khí quyển dễ dàng hơn so với tiếp xúc với bề mặt lớn bề mặt tiếp xúc.

Do đó, khi thiết kế các tiếp điểm kẹp, cần biết các chỉ tiêu về áp suất, mật độ dòng điện và kích thước của bề mặt tiếp xúc, đảm bảo tuân thủ các yêu cầu đối với tiếp điểm lý tưởng và có thể khác nhau tùy thuộc vào vật liệu, cách xử lý bề mặt và tiếp điểm. thiết kế.

Điện trở tiếp xúc bị ảnh hưởng bởi các tính chất vật liệu sau:

1.Điện trở riêng của vật liệu.

Điện trở tiếp xúc càng cao thì điện trở riêng của vật liệu tiếp xúc càng cao.

2. Độ cứng hoặc độ bền nén của vật liệu. Vật liệu mềm hơn biến dạng dễ dàng hơn và thiết lập các điểm tiếp xúc nhanh hơn và do đó tạo ra ít điện trở hơn ở áp suất thấp hơn. Theo nghĩa này, sẽ rất hữu ích nếu phủ các kim loại cứng bằng các kim loại mềm hơn: thiếc cho đồng và đồng thau và thiếc hoặc cadmium cho sắt.

3. Hệ số giãn nở nhiệt Cũng cần phải tính đến, do sự khác biệt giữa vật liệu của các tiếp điểm và, ví dụ, bu lông, ứng suất tăng có thể xảy ra, gây ra biến dạng dẻo của phần yếu hơn của tiếp điểm và phá hủy nó khi nhiệt độ giảm .

Lượng điện trở tiếp xúc được xác định bởi số lượng và kích thước của các tiếp điểm và phụ thuộc (ở các mức độ khác nhau) vào vật liệu của các tiếp điểm, áp suất tiếp xúc, cách xử lý các bề mặt tiếp xúc và kích thước của các bề mặt tiếp xúc.

Tại ngắn mạch nhiệt độ trong các điểm tiếp xúc có thể tăng cao đến mức do hệ số giãn nở nhiệt không đồng đều của vật liệu làm bu lông và điểm tiếp xúc, có thể xảy ra ứng suất trên giới hạn đàn hồi của vật liệu.

Điều này sẽ gây ra hiện tượng nới lỏng và mất độ kín của tiếp điểm. Vì vậy khi tính toán phải kiểm tra thêm các ứng suất cơ ở tiếp điểm do dòng điện ngắn mạch gây ra.

Đồng bắt đầu bị oxy hóa trong không khí ở nhiệt độ phòng (20 - 30 °).Màng oxit thu được, do độ dày nhỏ, không gây trở ngại cụ thể cho việc hình thành tiếp điểm, vì nó bị phá hủy khi các tiếp điểm bị nén.

Ví dụ: các tiếp điểm tiếp xúc với không khí trong một tháng trước khi lắp ráp chỉ cho thấy điện trở cao hơn 10% so với các tiếp điểm mới được tạo. Quá trình oxy hóa mạnh của đồng bắt đầu ở nhiệt độ trên 70 °. Các tiếp điểm, được giữ trong khoảng 1 giờ ở 100 °, đã tăng điện trở lên 50 lần.

Sự gia tăng nhiệt độ làm tăng đáng kể quá trình oxy hóa và ăn mòn các tiếp điểm do thực tế là sự khuếch tán khí trong tiếp điểm được tăng tốc và khả năng phản ứng của các chất ăn mòn tăng lên. Sự xen kẽ của sưởi ấm và làm mát thúc đẩy sự xâm nhập của khí tiếp xúc.

Người ta cũng xác định rằng trong quá trình làm nóng kéo dài các tiếp điểm bằng dòng điện, người ta quan sát thấy sự thay đổi theo chu kỳ về nhiệt độ và điện trở của chúng. Hiện tượng này được giải thích bằng các quá trình liên tiếp:

• oxy hóa đồng thành CuO và tăng điện trở và nhiệt độ;
• khi thiếu không khí, quá trình chuyển từ CuO sang Cu2O và giảm điện trở và nhiệt độ (Cu2O dẫn điện tốt hơn CuO);
• tăng khả năng tiếp cận không khí, tạo thành CuO mới, tăng điện trở và nhiệt độ, v.v.

Do sự dày lên dần dần của lớp oxit, sự gia tăng điện trở tiếp xúc cuối cùng được quan sát thấy.

Sự hiện diện của hơi sulfur dioxide, hydrogen sulfide, amoniac, clo và axit trong khí quyển có tác động mạnh hơn nhiều khi tiếp xúc với đồng.

Trong không khí, nhôm nhanh chóng bị bao phủ bởi một màng oxit mỏng, có độ bền cao. Việc sử dụng các tiếp điểm bằng nhôm mà không cần loại bỏ màng oxit mang lại khả năng chống tiếp xúc cao.

Việc loại bỏ màng ở nhiệt độ bình thường chỉ có thể thực hiện được bằng cơ học và việc làm sạch bề mặt tiếp xúc phải được thực hiện dưới một lớp mỡ bôi trơn để ngăn không khí lọt vào bề mặt đã được làm sạch. Các điểm tiếp xúc bằng nhôm được xử lý theo cách này sẽ cho điện trở tiếp xúc thấp.

Để cải thiện khả năng tiếp xúc và bảo vệ chống ăn mòn, các bề mặt tiếp xúc thường được làm sạch bằng thạch dầu hỏa đối với nhôm và thiếc đối với đồng.

Khi thiết kế các kẹp để nối dây nhôm, cần tính đến đặc tính của nhôm là "co lại" theo thời gian, do đó tiếp điểm yếu đi. Có tính đến đặc tính này của dây nhôm, có thể sử dụng các đầu nối đặc biệt có lò xo, nhờ đó áp suất tiếp xúc cần thiết được duy trì trong kết nối mọi lúc.

Áp lực tiếp xúc là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc. Trong thực tế, điện trở tiếp xúc phụ thuộc chủ yếu vào áp suất tiếp xúc và ở mức độ thấp hơn nhiều vào cách xử lý hoặc kích thước của bề mặt tiếp xúc.

Sự gia tăng áp lực tiếp xúc gây ra:

• giảm điện trở tiếp xúc:
• giảm tổn thất;
• liên kết chặt chẽ của các bề mặt tiếp xúc, làm giảm quá trình oxy hóa của các tiếp điểm và do đó làm cho kết nối ổn định hơn.

Trong thực tế, áp suất tiếp xúc chuẩn hóa thường được sử dụng khi đạt được độ ổn định điện trở tiếp xúc. Các giá trị áp suất tiếp xúc tối ưu như vậy là khác nhau đối với các kim loại khác nhau và các trạng thái khác nhau của bề mặt tiếp xúc.

Mật độ tiếp xúc trên toàn bộ bề mặt đóng một vai trò quan trọng, theo đó các chỉ tiêu áp suất cụ thể phải được duy trì bất kể kích thước của bề mặt tiếp xúc.

Việc xử lý các bề mặt tiếp xúc phải đảm bảo loại bỏ các màng lạ và tạo ra các điểm tiếp xúc tối đa khi các bề mặt tiếp xúc.

Che các bề mặt tiếp xúc bằng kim loại mềm hơn, chẳng hạn như các điểm tiếp xúc bằng đồng hoặc sắt, giúp dễ dàng đạt được tiếp xúc tốt ở áp suất thấp hơn.

Đối với các điểm tiếp xúc bằng nhôm, cách xử lý tốt nhất là chà nhám bề mặt tiếp xúc bằng giấy nhám dưới lớp thạch dầu mỏ. Dầu bôi trơn là cần thiết vì nhôm trong không khí nhanh chóng bị bao phủ bởi một lớp màng oxit và dầu bôi trơn ngăn không khí tiếp xúc với bề mặt tiếp xúc được bảo vệ.

Một số tác giả cho rằng điện trở tiếp xúc chỉ phụ thuộc vào tổng áp suất trong tiếp xúc mà không phụ thuộc vào kích thước bề mặt tiếp xúc.

Điều này có thể được tưởng tượng nếu, ví dụ, với sự giảm bề mặt tiếp xúc, sự gia tăng điện trở tiếp xúc do giảm số lượng điểm tiếp xúc được bù bằng sự giảm điện trở do chúng bị phẳng do sự gia tăng cụ thể áp suất tiếp xúc.

Sự bù trừ lẫn nhau như vậy của hai quá trình ngược hướng chỉ có thể xảy ra trong những trường hợp ngoại lệ. Nhiều thí nghiệm cho thấy khi chiều dài tiếp điểm giảm và ở áp suất tổng không đổi thì điện trở tiếp xúc tăng.

Với chiều dài tiếp xúc giảm một nửa, độ ổn định điện trở đạt được ở áp suất cao hơn.

Việc giảm nhiệt độ tiếp xúc ở mật độ dòng điện nhất định được tạo điều kiện thuận lợi nhờ các đặc tính sau của vật liệu tiếp xúc: điện trở thấp, công suất nhiệt và độ dẫn nhiệt cao, cũng như khả năng tỏa nhiệt cao trên bề mặt bên ngoài của các tiếp điểm.

Sự ăn mòn của các tiếp điểm làm bằng các kim loại khác nhau mạnh hơn nhiều so với ăn mòn các tiếp điểm làm từ cùng một kim loại... Trong trường hợp này, một cặp vĩ mô điện hóa được hình thành (kim loại A - màng ướt - kim loại B), là một tế bào điện. Ở đây, như trong trường hợp ăn mòn vi mô, một trong các điện cực sẽ bị phá hủy, cụ thể là phần tiếp xúc bao gồm một kim loại kém quý hơn (cực dương).

Trong thực tế, có thể xảy ra trường hợp dây kết nối bao gồm các kim loại khác nhau, ví dụ, đồng với nhôm. Sự tiếp xúc như vậy, nếu không có sự bảo vệ đặc biệt, có thể ăn mòn kim loại kém quý hơn, tức là nhôm. Trong thực tế, nhôm tiếp xúc với đồng có tính ăn mòn cao, vì vậy không cho phép liên kết trực tiếp tiếp xúc giữa đồng và nhôm.