Контактные явления в электрических аппаратах

Электрический контакт — соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются также контактами или контакт-деталями.

Классификация электрических контактов

Виды контактных соединений, наиболее часто встречающиеся в электрических аппаратах, классифицируются по различным признакам. По виду соединения электрические контакты могут быть:

• — взаимонеподвижные: разъёмные (болтовое соединение); неразъёмные (сварные, паяные, напылённые);
• — взаимоподвижные: неразмыкающиеся — предназначенные для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижные или наоборот: гибкие связи типа «косичка», щёточные скользящие, жидкометаллические, роликовые;
• — размыкающиеся — расходящиеся в процессе работы: мостиковые контакты, розеточные контакты, пальцевые или ножевые, с плоскими пружинами (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Виды размыкающихся контактов

Контактная поверхность и контактное сопротивление

Для выяснения сущности явления электрического контакта рассмотрим механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам. Обычно, для обеспечения надежного протекания электрического тока, контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия. Эта сила может создаваться при затяжке болтов, при обжатии контактного наконечника на конце провода или кабеля или из-за деформации пружин контактной системы. При этом микровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируются; в соприкосновение могут прийти другие выступы и они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия (рис. 2.2).

Давление в разных точках поверхности контактных площадок в общем случае не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации.

Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках, а при сжатии их силой — по отдельным площадкам.

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, т. е. через точки поверхности, воспринимающие усилие. 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 называтьпятнами. 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.

Рассмотрим однородный линейный проводник постоянного поперечного сечения (рис. 2.3), по которому протекает постоянный ток I. Между точками а и б, находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U₁. Тогда активное сопротивление участка проводника R₁ = U₁/I.

Рис. 2.3. К определению переходного сопротивления контактов: а — проводник; б — проводник с контактом.

Разрежем проводник в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой Р. При протекании того же тока I получим разность потенциалов между точками а и б равную U₂ и отличную от разности потенциалов U₁. В этом опыте сопротивление R₂ = U₂/I. Разность сопротивлений R_пер = R₂ — R₁ называется переходным сопротивлением контакта.

Следует отметить, что если на некотором удалении отпятна линии тока параллельны друг другу, то в непосредственной близости от него они искривляются и «стягиваются» кпятну. Область электрического контакта, где линии тока искривляются, стягиваясь кпятну, 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. 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.