一、接觸電阻的產(chǎn)生
圖3－4(a)所示為一段完整的導(dǎo)體，通以電流I，用電壓表測(cè)量出其AB長(zhǎng)度上的電壓降為U，則AB段導(dǎo)體的電阻為
如果將此導(dǎo)體截?cái)?，仍通以原來的電流，測(cè)得AB兩點(diǎn)之間的電壓降為UC[見圖3－4(b)]， UC比U大得多，AB點(diǎn)之間的電阻為
RC除含有該段導(dǎo)體材料的電阻R外，還有附加電阻Rj，即
RC=R+Rj ?。?－1）
附加電阻為收縮電阻與表面膜電阻之和，是由于接觸層之間直接產(chǎn)生的電阻，故稱附加電阻Rj為接觸電阻。動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)同樣也存在接觸電阻。
圖3－5 電流線收縮
1．收縮電阻
接觸處的表面無論經(jīng)過多么細(xì)致的加工處理，從微觀角度分析，其表面總是凹凸不平的，它們不是整個(gè)面積接觸，而是只有若干小的突起部分相接觸，如圖3－5所示，實(shí)際接觸面積比視在接觸面積小得多。當(dāng)電流通過實(shí)際接觸面積時(shí)，電流只從接觸點(diǎn)上通過，在這些接觸點(diǎn)附近，迫使電流線發(fā)生收縮。由于有效接觸面積(即實(shí)際接觸面積)小于視在接觸面積，由此產(chǎn)生的附加電阻稱為收縮電阻。
2．表面膜電阻
由于種種原因，在觸頭的接觸表面上覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的薄膜，例如金屬的氧化物、硫化物等，其導(dǎo)電性很差，也可能是落在接觸表面上的灰塵、污物或夾在接觸面間的油膜、水膜等，由此而形成的附加電阻，稱為表面膜電阻。
表面膜電阻的大小除和膜的種類有關(guān)外，還與薄膜的厚度有關(guān)，膜越厚，電阻越大。
接觸電阻與觸頭材料、觸頭壓力、接觸面形式、表面和清潔狀況等有關(guān)。由于膜電阻難于計(jì)算，故接觸電阻可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即
?。?－2）
式中 Rj――觸頭接觸電阻(Ω)；
F――觸頭壓力(N)；
m――與觸頭接觸形式有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于點(diǎn)接觸m=0.5，線接觸m=0.5～0.7，面接觸m=1；
K――與接觸材料、接觸表面加工方法、接觸面狀況有關(guān)的常數(shù)，見表3－1。
表3－1列出了當(dāng)接觸表面沒有氧化層及污物時(shí)，各種觸頭材料的K值。
表3－1 各種觸頭材料的K值
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觸 頭 材 料 |
K |
觸 頭 材 料 |
K |
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銅一銅 |
(0.08～0.14)×10－3 |
銅一鋁 |
0.98×10－3 |
|
黃銅一黃銅 |
0.67×10－3 |
鋁一黃銅 |
1.9×10－3 |
|
鋁一鋁 |
(3～6.7)×10－3 |
銅一銅鍍錫 |
(0.07～1)×10－3 |
|
黃銅一銅 |
0.38×10－3 |
銀一銀 |
0.06×1O－3 |
必須指出，式(3－2)的局限性很大，不能概括各種因素對(duì)接觸電阻的影響。尤其是觸頭表面的氧化對(duì)K值的影響很大，在表3－1內(nèi)只給出了觸頭表面未被氧化時(shí)的K值，至于氧化了的材料，其K值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過表3－1中給出的數(shù)值，它的接觸電阻在很大范圍內(nèi)變化。所以，接觸電阻的計(jì)算實(shí)際上是一個(gè)很復(fù)雜的問題，根據(jù)式(3－2)計(jì)算出的值只能作參考。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用測(cè)量接觸壓降的方法來實(shí)測(cè)接觸電阻值。接觸壓降是指通過一定電流時(shí)，觸頭電接觸處的電壓降，即
?。?－3）
式中 Uj――接觸電壓降(V)；
I――通過觸頭電接觸處的電流(A)；
Rj――接觸電阻(Ω)。
二、影響接觸電阻的因素
影響接觸電阻的因素有接觸壓力、觸頭材料、觸頭溫度、觸頭表面情況、接觸形式及化學(xué)腐蝕等。
1．接觸壓力的影響
接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響最大，當(dāng)接觸壓力很小時(shí)，接觸壓力微小的變化都會(huì)使接觸電阻值產(chǎn)生很大的波動(dòng)。
由式(3－2)可知，觸頭接觸電阻與接觸壓力近似雙曲線關(guān)系，即接觸電阻值在一定的壓力范圍內(nèi)是隨外施壓力F的增大而減小的，如圖3－6所示。這是因?yàn)樵趬毫ψ饔孟拢瑑杀砻娼佑|處產(chǎn)生彈性變形，壓力增大，變形增加，有效接觸面積也增加，收縮電阻減小。而當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，收縮電阻幾乎不變，這是因?yàn)椴牧系膹椥宰冃问怯幸欢ㄏ薅鹊?，因而接觸面積的增加也是有限的，故接觸電阻不可能完全消除。
增大接觸壓力，可將氧化膜壓碎，使膜電阻減小，但壓力增大到一定程度后，膜電阻穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù)值。
圖3－6 接觸電阻與接觸壓力的關(guān)系
2．觸頭材料的影響
觸頭材料對(duì)接觸電阻的影響主要決定于觸頭材料的電阻系數(shù)、材料的抗壓強(qiáng)度、材料的化學(xué)性能等。
觸頭材料的電阻系數(shù)越低，接觸電阻就越小。表3－2給出了電器中常用材料的電阻系數(shù)與銅的比較值(銅的電阻系數(shù)為1)。
表3－2 常用材料電阻系數(shù)與銅的比較
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觸頭材料和它的覆蓋層 |
ρk比較值 |
觸頭材料和它的覆蓋層 |
ρk比較值 |
|---|---|---|---|
|
銅 |
1 |
鋼 |
35 |
|
鍍錫的銅 |
0.7 |
碳 |
1 000 |
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搪錫的銅 |
2.0 |
黃銅一黃銅 |
4.0 |
|
鍍銀的銅 |
0.3 |
銅一黃銅 |
2.2 |
|
銀 |
0.2 |
銅一鋁 |
1.3 |
|
鋁 |
2.5 |
銅一鋼 |
7.0 |
銀的電阻系數(shù)小于銅，但銀比銅價(jià)格貴，所以常采用銅鍍銀或鑲銀的辦法，以減小接觸電阻。
材料的抗壓強(qiáng)度越小，在同樣接觸壓力下得到的實(shí)際接觸面積就越大，接觸電阻就越小。采用抗壓強(qiáng)度小的材料可以使接觸電阻降低，但由于觸頭本身需要一定的機(jī)械強(qiáng)度，因此常在接觸連接處，用較軟的金屬覆蓋在硬金屬上，以獲得較好的性能，例如銅觸頭搪錫等。
材料越易氧化，就越容易在表面形成氧化膜，如不設(shè)法清除，接觸電阻就會(huì)顯著增大。例如鋁在常溫下幾秒鐘內(nèi)就會(huì)氧化，其氧化膜導(dǎo)電性很差，故鋁一般只用作固定連接，而且常采用表面覆蓋銀、錫等方法以減小接觸電阻。小容量觸頭常采用點(diǎn)接觸的雙斷點(diǎn)橋式觸頭，其結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)研磨過程來消除氧化膜，所以觸頭材料采用銀或銀基合金。因?yàn)殂y被氧化后的導(dǎo)電能力和純銀相差不多，所以銀或鍍銀的觸頭工作很穩(wěn)定。
3．觸頭溫度的影響
觸頭的接觸電阻與它本身的金屬電阻一樣，也受溫度的影響，隨著觸頭溫度的升高，接觸電阻增加。由試驗(yàn)得知，接觸電阻與溫度之間的關(guān)系式為
（3－4）
觸頭金屬材料的電阻溫度系數(shù)為，接觸電阻的電阻溫度系數(shù)為
，后者比前者小
，這是由于接觸處溫度升高后，材料硬度有所降低，使有效接觸面積增大，以致在溫度增加時(shí)，接觸電阻的增加比金屬材料電阻的增加要小一些，這種差別就用它們電阻系數(shù)的不同來表示。
應(yīng)該指出，式(3－4)只對(duì)清潔的接觸面才正確。實(shí)際上，因?yàn)闇囟壬邥?huì)加劇氧化，所以，溫度對(duì)接觸電阻的影響還要大些。
圖3－7表示在接觸壓力不變的情況下，接觸電阻Rj與觸頭溫度
的關(guān)系曲線。曲線1的接觸壓力比曲線2的接觸壓力小，故接觸電阻大。
在B點(diǎn)以前，Rj與的關(guān)系由式(3－4)決定，接觸電阻隨溫度的升高而增加。當(dāng)溫度達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，為250～400℃，材料軟化，實(shí)際接觸面積增大，接觸電阻有迅速減小的現(xiàn)象。這時(shí)，觸頭材料的機(jī)械強(qiáng)度突減，觸頭遭到破壞，這是不允許的，這種情況可能發(fā)生在觸頭通過較長(zhǎng)時(shí)間短路電流的故障狀態(tài)。
當(dāng)材料的強(qiáng)度穩(wěn)定下來后，接觸電阻又隨溫度的增高而增大。當(dāng)溫度達(dá)到C點(diǎn)時(shí)，材料熔化，接觸處就會(huì)熔焊在一起，觸頭難以分離，電器不能正常工作。因此，觸頭的溫升不允許超過允許值。
圖3－7 接觸電阻與溫度的關(guān)系
4．觸頭表面情況的影響
(1)觸頭表面加工方法的影響
表面粗糙度對(duì)接觸電阻有一定的影響。接觸表面可以粗加工，也可以精加工。至于采用哪種方式加工更好，要根據(jù)負(fù)荷大小、接觸形式和用途而定。
對(duì)于大、中電流的觸頭表面，不要求精加工，最好用銼刀加工，接觸面達(dá)
≤6.3～1.6即可，重要的是平整。兩個(gè)平整而較粗糙的平面接觸在一起，接觸點(diǎn)數(shù)目較多且穩(wěn)定，并能有效地清除氧化膜。相反，精加工的表面，當(dāng)裝配稍有歪斜時(shí)，接觸點(diǎn)的數(shù)目顯著減少。
對(duì)于某些小功率電器，觸頭電流小到毫安以下，為了保證Rj小而穩(wěn)定，要求觸頭表面粗糙度越低越好。粗糙度低的觸頭不易受污染，也不易生成膜電阻。為了達(dá)到這樣低的粗糙度，往往采用機(jī)械、電或化學(xué)拋光等工藝。
(2)觸頭表面氧化膜的影響
暴露在空氣中的接觸面(除鉑和金外)都將產(chǎn)生氧化作用?？諝庵械你~觸頭在室溫下(20～30℃)即開始氧化，但其氧化膜很薄，在觸頭彼此壓緊的過程中就被破壞，故對(duì)接觸電阻影響不大。當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，銅觸頭氧化加劇，氧化銅的導(dǎo)電性能很差，使膜電阻急劇增加，因此，銅觸頭的允許溫升都是很低的。銀被氧化后的導(dǎo)電率與純銀差不多，所以銀或鍍銀的觸頭工作很穩(wěn)定。
為了減小接觸面的氧化，可以將觸頭表面搪錫或鍍銀，以獲得較穩(wěn)定的接觸電阻。
(3)觸頭表面清潔狀況的影響
當(dāng)觸頭的壓力較小時(shí)，觸頭表面的清潔度對(duì)接觸電阻影響較大，隨著壓力的增加，這種影響逐漸減小。
5．觸頭表面的電化學(xué)腐蝕
采用不同的金屬作觸頭對(duì)時(shí)，由于兩金屬接觸處有電位差，當(dāng)濕度大時(shí)，在觸頭對(duì)的接觸處會(huì)發(fā)生電解作用，引起觸頭的電化學(xué)腐蝕，使接觸電阻增加。
常用金屬材料的電化順序是金(Au)、鉑(Pｔ)、銀(Aｇ)、銅(Cu)、氫(H)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、鋁(Al)。規(guī)定氫的電化電位為0，在它后面的金屬具有不同的負(fù)電位(如Al的電化電位為－1.34V)，在它前面的金屬具有不同的正電位(如Aｇ的電化電位為+0.8V)。選取觸頭對(duì)時(shí)，應(yīng)取電化順序中位置靠近的金屬，以減小化學(xué)電勢(shì)。例如不宜采用鋁一銅、鋼－銅做觸頭對(duì)。電鍍層或涂層也要注意電化順序。
三、減小接觸電阻的方法
當(dāng)電流通過閉合觸頭時(shí)，如果接觸電阻過大，就會(huì)產(chǎn)生過大的附加損耗，使觸頭本身及周圍的物體溫度升高，加速絕緣材料的老化，使之壽命減少。觸頭的過度發(fā)熱還會(huì)使觸頭表面加速氧化，而多數(shù)金屬（除銀外）氧化后產(chǎn)生高阻的氧化膜，使電阻增加。這樣造成惡性循環(huán)。
為了避免觸頭超過允許溫升，一方面要盡量減小接觸電阻；另一方面應(yīng)具有足夠的觸頭散熱面積。
根據(jù)接觸電阻的形成原因，減小接觸電阻一般可采用下列方法：
1．增加接觸點(diǎn)數(shù)目。
選擇適當(dāng)?shù)慕佑|形式，用適當(dāng)?shù)姆椒庸そ佑|表面，并在接觸處加一定的壓力，均可使接觸點(diǎn)數(shù)目增加。
2．選擇合適的材料。
采用本身電阻系數(shù)小，且不易氧化或氧化膜電阻較小的材料作為接觸導(dǎo)體，或作為接觸面的覆蓋層。
3．觸頭在開閉過程中應(yīng)具有研磨過程，以擦去氧化膜。
4．經(jīng)常對(duì)觸頭清掃，使觸頭表面無油污、塵埃，保持干燥。