Lib.ru/Современная литература: Ашкинази Леонид Александрович. Есть контакт!

Есть контакт!

Однажды думал, думал и придумал я куплет,

О том, что, несмотря на окружающую тьму,

Стремимся тем не менее мы выбраться на свет,

И даже зрим его, и даже движемся к нему.

Михаил Щербаков

Что мы делаем, когда входим в комнату? Включаем свет. В это мгновение в маленькой коробочке, в которую мы не глядя ткнули пальцем, разыгрываются такие физические и химические процессы, что их описание могло бы занять не одну сотню страниц. Вы спросите - почему так мало? Потому что эти процессы - процессы при возникновении электрического контакта - изучены плохо. А они происходят всякий раз, когда мы тычем ноготком в кнопки мобильника или меняем в нем симку, когда мочим монстров на компе и молотим по клавиатуре, когда едем в троллейбусе, трамвае, автобусе и автомобиле. Они происходят всегда.

Tок проводят проводники - кажется, это последнее, что еще могут нынче внятно произнести школьники на экзамене по физике. И это правильно, но как ведет себя контакт двух металлов? На контакте двух металлов имеет место скачок потенциала, поэтому при протекании тока через оный контакт выделяется или поглощается тепло. Легко догадаться, что на переменном токе суммарный эффект оказывается нулевым, но и на постоянном токе тепловыделение столь мало, что не влияет на работу аппаратуры. Ориентировочно для большинства металлов: скачок потенциала 10 мВ (рекорд для пары висмут-сурьма, 40 мВ), при реальных плотностях тока до 10 А/см² тепловыделение до 0,01 Вт/см² и перепад температур составит порядка 0,01 ^оС. Дополнительного сопротивления протекающему току контакт двух металлов не создает, поэтому "тепло Джоуля-Ленца" - помните из школы магическое "и квадрат эр тэ"? - не возникает. Казалось бы - тишь, гладь и контактная благодать. На самом деле, конечно, "все не так, как на самом деле".

Какие бывают контакты

Прежде всего - неподвижные, скользящие и разрывные. Смысл названий интуитивно ясен, хотя граница, как это обычно и бывает, не резка. Скажем, контакт, скользящий со скоростью черепахи, ведет себя скорее как неподвижный, а контакт, который разрывается очень редко, ведет себя в смысле срока службы как неподвижный. Критерии деления областей могут быть физические и технические.

Физические критерии связаны с какими-то конкретными физическими процессами. В нашем случае, раз уж речь зашла о скорости движения, со скоростью или временем протекания каких-то процессов. Например, если за время смещения контакта он не успеет нагреться, то считать его неподвижным никак нельзя. Разные физические критерии дают, естественно, разные границы, что открывает дорогу для многочасовых бессмысленных дискуссий.

Технические критерии связаны с эксплуатационными параметрами, например со скоростью износа. Скажем, для обычной лампы накаливания каждое включение "съедает" около получаса срока службы самой лампы. Поэтому если лампа включается раз в сутки, то можно считать, что в смысле срока службы она работает в непрерывном режиме, а если раз в минуту - то в режиме непрерывных включений. Аналогичная зависимость есть и для мощных выключателей. Эксплуатационные параметры зависят, конечно, от физических и химических процессов, но зависимость эта не всегда известна.

На практике о проблеме классификации контактов люди обычно не размышляют. Потому что контакты, движущиеся столь медленно, что их можно перепутать с неподвижными, встречаются редко. И нечасто встречаются контакты, коммутирующиеся с такой частотой, что можно перепутать постоянные и разрывные.

Идеал и его недостижимость

Люди обычно считают, что они стремятся к идеалу, а самые большие оптимисты считают, что движутся к нему (см. эпиграф). Вот и мы начнем с идеала, то есть с самой простой картины - неподвижный контакт двух металлов в вакууме и по всей площади контакта. Такая постановка задачи хороша тем, что задачи не осталось. Ни дополнительного тебе сопротивления, ни тепловыделения, ни метровых снопов искр... Идеал оказался и далек от реальности, и неинтересен. В истории человечества такое случалось не раз.

Начнем понемногу приближаться к реальности. Прежде всего, контакт осуществляется не по всей "площади контакта". На практике любая поверхность шероховата, две поверхности соприкасаются сначала по трем точкам, при этом механические напряжения вызывают деформацию контактирующих материалов. Пластическую, если материал пластичен, и упругую - в любом случае. Контактные площадки расширяются, но все равно площадь соприкосновения остается намного меньше так называемой геометрической площади контакта и составляет не более десятой доли от нее, а обычно - сотую или тысячную. Раз контактные площадки малы, то плотность тока в них выше и, стало быть, возникает локальный разогрев. Сам по себе он не очень страшен - до плавления или испарения далеко. Но при росте температуры материал теряет упругость, начинает "течь". Особенно склонны к этому контакты в розетках, сделанные из тонких пластин. Эти вполне неподвижные контакты при нагреве иногда со временем теряют упругость, "ослабевают" и холодильник, включенный десять лет назад, начинает "вырубаться". Надо искать, где он десять лет назад был подключен, выгребать из-под засохших картофельных очистков удлинитель и подтягивать винтики, подгибать контактики (не забыв выключить напряжение обеими предохранителями, а еще лучше - обеспечив "видимый разрыв").

Кроме того, контакты обычно работают не в вакууме. И, увы, не в инертном газе. Материал контактов окисляется либо вступает во взаимодействие с серосодержащими газами (особенно к этому склонно серебро), и нагрев - хоть общий, хоть локальный - ускоряет этот процесс. Продукты реакций - это либо диэлектрики, либо полупроводники, площадь контакта металлов уменьшается, сопротивление контакта увеличивается, нагрев растет, начинается лавинообразный процесс. Внешним признаком является нагрев контакта, в быту - нагрев розетки и запах изоляции. Как сказано у сэра Артура Кларка: "За свою многолетнюю работу инженером он слишком часто убеждался, чем грозит запах горящей изоляции".

Где тонко, там и рвется

Начнем с замыкания. Как правило, до замыкания между контактами есть напряжение. Если оно больше примерно 300 вольт (это минимум кривой Пашена для воздуха), то при сближении контактов между ними может произойти пробой и возникнуть газовый разряд. Контакты еще не сомкнулись, а ток уже пошел, причем через относительно большое сопротивление газового (дугового) разряда с выделением соответствующей мощности, нагревом контактов, испарением, переносом материала с одного контакта на другой, плавлением... а тут как раз они сблизились и бац! - сомкнулись. Будучи нагреты чуть ли не до плавления... В итоге они сварились. Пока что это привело лишь к улучшению контакта, но ведь им же еще предстоит размыкаться.

Сваривание может происходить и без разряда. Истинная площадь контакта при микронных размерах устанавливается не мгновенно - за единицы и десятки микросекунд, а тепловой режим - за сотые и десятые доли микросекунд, то есть в сто раз быстрее. Поэтому при замыкании контакта он может успеть нагреться, если нагрузка, которую мы коммутируем, допускает быстрый рост тока, то есть не является индуктивной.

При разрыве контактов все усугубляется менее быстрым, нежели при замыкании, их движением. Поэтому мощность, выделяющаяся при разрыве контакта из-за уменьшения площади истинного контакта и/или возникновения дугового разряда, успевает сильнее нагреть, больше расплавить, испарить и т. д. Мощные выключатели - не те, в которые вы тычете пальчиком, войдя в комнату, а которые выше вас ростом и отключают не люстры, а города, иногда вообще не могут разомкнуть цепь, потому что при разведении контактов загорается дуга, по которой и идет себе ток. Ситуация усугубляется тем, что при размыкании индуктивной нагрузки (точнее, при увеличении сопротивления "выключателя") на его контактах увеличивается напряжение. Каждый, кто пытался тестером проверить целостность обмоток трансформатора, надолго запоминает весьма болезненное ощущение, возникающее при размыкании цепи. Нет чтобы вспомнить вовремя абзац из школьного учебника про "ЭДС индукции"...

Поехали?

Скользящие контакты обеспечивают протекание тока между движущимися одна относительно другой частями электрических машин, аппаратов и приборов. В электрических машинах это коллектор, кольца и щетки, в переменных сопротивлениях (реостатах)- контактные дорожки, обмотки и ползунки, в трамваях и троллейбусах - задерите голову и посмотрите наверх, в сотовых телефонах-слайдерах - контакты, соединяющие части. Протекание тока должно быть непрерывно, причем сопротивление должно быть мало и оно не должно изменяться при движении. То есть с точки зрения внешней схемы скользящий контакт вообще должен быть "невидим". На самом деле это требование не соблюдается идеально: при движении одни контактные площадки разрываются, другие возникают, причем и при разрыве, и при замыкании сопротивление изменяется скачком. Поскольку все контактные площадки включены параллельно, разрыв каждой сказывается на сопротивлении не сильно, но для некоторых применений существенно.

Ситуация осложняется тем, что иногда скользящие контакты используются одновременно и как разрывные. Например, в коллекторных электрических машинах щетки скользят по каждой ламели (контакту на коллекторе), но при переходе с ламели на ламель они переключают обмотки (фото 1). Промежуточная ситуация имеет место в проволочных реостатах (фото 2) - движок контактирует с отдельными витками, но сами эти витки не соединены с чем-либо, а являются одной вещью, одной обмоткой. На витки она оказывается разделенной не по схемным, а по конструктивным соображениям: существовал бы металл со стократно большим удельным сопротивлением - делать реостат из длинной тонкой проволоки не потребовалось бы. Поскольку от этих скользяще-разрывных контактов обычно требуется непрерывность протекания тока, движок выполняется так, чтобы он контактировал с двумя витками или ламелями. Разумеется, сопротивление при этом все равно изменяется скачками, но хоть не такими большими.

Основная особенность скользящих контактов - то, что они подвержены трению и износу. При этом оксиная пленка, которая в обычных условиях быстро нарастает на металле и защищает его от дальнейшего окисления, сдирается и разрушение контакта может ускориться катастрофически. Когда-то была попытка ставить алюминиевые контакты на троллейбусы, так рассказывают, что в дождливую погоду по штангам и крышам вниз текло нечто молочно-белое... Впрочем, в трамваях алюминиевые контакты вроде бы работают, но провод скользит все время по разным частям контактной дуги, из-за этого нагрузка, как электрическая, так и механическая, падает (в применявшихся когда-то контактах в виде катящегося ролика нагрузка также меньше, чем в неподвижных).

Поэтому именно на работу скользящих контактов окружающая среда влияет сильнее всего. Влажность, примеси агрессивных газов, дым и пыль, брызги морской воды, грибки - чудовищный компот, выживание в коем инженеры именуют "тропикоустойчивость". Не от хорошей жизни герметизируют реле (фото 3, 4).

Из чего

Теперь понятно, почему контакты далеки от идеала, почему так сложна проблема выбора контактного материала - просто потому, что надо удовлетворить много разных требований. Но техника отличается от прочих областей жизни, в частности, тем, что в ней иногда удается "губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича". Поскольку не только конструктор конструирует из имеющихся материалов, но и материаловед разрабатывает на потребу конструктору новые материалы.

Логика выбора материала для контактов в сильно упрощенном виде примерно такова. Прежде всего - электропроводность. Если делаем реле на малое напряжение или что-то иное, где сильно прижать контакты не удастся, самым важным будет вопрос об оксидных пленках. Они бывают разные - и по толщине, и по составу, и по прочности, и по сопротивлению. Тем более что сопротивление оксидов сильно зависит от небольших изменений их состава, а он зависит от примесей к основному материалу контактов и от состава газовой среды. Поэтому трудно предсказать, какой толщины и с каким сопротивлением окажется пленка на контакте. Окисление поверхности металла - многостадийный процесс, на него влияют и коэффициенты диффузии, и скорость диссоциации молекул газа, и даже электропроводность оксидной пленки. Например, как ни странно, именно из-за высокого электрического сопротивления оксида медленно окисляется алюминий. Принято считать, что не окисляются (или окисляются так слабо, что электроны туннелируют через пленку) золото, платина и их сплавы с большим содержанием драгметалла. В Москве при входе на Царицынский радиорынок можно видеть молодых людей, скупающих некоторые виды радиодеталей. Понятно каких и понятно с какой целью. Добавки же к драгметаллам применяют либо для увеличения прочности и уменьшения механического износа, либо для увеличения технологичности.

Два контакта, сжатых на некоторое время, могут свариться друг с другом и остаться в таком положении после снятия усилия. Это явление называют "прилипанием", оно объясняется текучестью и диффузией материалов и образованием "истинного контакта" большой площади. Процесс ускоряется при нагреве протекающим током. Прилипание возможно лишь для чистых металлов, не покрытых слоем оксида или иной пленки. При наличии пленок эффект прилипания ослабляется или полностью прекращается. Разъединение контактов из абсолютно чистых отожженных благородных металлов, например платины или золота, возможно лишь после приложения больших усилий, почти равных усилиям, которые необходимы для разрушения монолитной структуры металла. Для уменьшения сваривания применяются добавки, увеличивающие прочность и тормозящие диффузию (фото 5, справа).

Для контактов средней мощности нажатие обычно обеспечить можно, и сопротивление пленок уже не столь существенно - они будут разрушены при контактировании. Тем более что реле и выключатели часто делают так, чтобы контакты "прыгали" навстречу друг другу, ударялись друг о друга или елозили друг по другу, разрушая пленки. Тогда важными оказываются электро- и теплопроводность самого материала - значит, преимущество будет за медью или серебром, может быть, с упрочняющими добавками. Для контактов средней мощности может оказаться важным сваривание, значит, материал должен быть тугоплавким и с низким давлением пара. Это требование указывает на углерод, вольфрам, молибден. Но у них велико сопротивление, значит - композит: вольфрамовая губка, пропитанная медью, или прессованная и спеченная смесь порошков меди и углерода (фото 5, слева).

Специфическая ситуация - скользящие контакты при большом и неизбежном износе, если предстоит работа под открытым небом с вытекающими из него последствиями в виде дождя и снега. Значит, надо брать либо что-то совсем дешевое, либо с малым трением и износом. Это случай троллейбуса (фото 6) с контактами для мокрой погоды - из стали или чугуна, самого дешевого металлического материала, износостойкого и антифрикционного, а для сухой погоды - из углеродных материалов (на фото справа). Или это трамвай с контактами из алюминия или стали. Другая специфическая ситуация, точнее - группа ситуаций: когда на выбор контактного материала влияют совсем другие требования, если сама контактирующая деталь одновременно несет еще какую-то функцию, например, является пружиной. Тогда от материала требуется упругость - и это становится аргументом в пользу применения бронзы.

Для контактов, коммутирующих большие мощности, при которых особенно вероятно образование дуги, приходится отказываться от материалов с относительно высоким давлением паров, например меди, и переходить на композиты из вольфрама, никеля, углерода, иногда с дугогасящими присадками.

Дребезг, ртуть, свинка

В заключение обратимся к одной экзотической ситуации. Вот контакты сближаются, соударяются и - иногда отскакивают. На какое-то время. Потом, через миллисекунды, они сомкнутся опять. Для нагрузки, которая коммутируется, это явление (его называют "дребезгом контактов"), может быть допустимо - если нагрузкой является лампа или чайник, или недопустимо - в цифровой технике. Во втором случае для борьбы с этим явлением могут быть применены простые схемы, они срабатывают от самого первого замыкания и остаются в "сработавшем" состоянии до окончания процесса дребезга. Но возможны ситуации, когда применить такие схемы нельзя - в частности, при коммутации больших мощностей. В этом случае нужны контакты, которые "прилипают" друг к другу при коммутации. Одно из решений - ртутный контакт, или, в инженерном просторечии, "свинка". Это стеклянный баллон, заполненный водородом (чтобы ничего не окислялось), с двумя вводами. В баллоне находится ртуть, в зависимости от положения свинки она замыкает или не замыкает контакты (фото 7). Такие коммутаторы иногда применялись и не для исключения дребезга, а просто из-за высокой надежности коммутирования, например, в обычных дверных звонках.

Автор благодарит сотрудников конечной троллейбусной станции "Крымская" и вагоновожатую Светлану Пантелееву (Потаню) за консультации.

Фото 1

Коллектор электродвигателя (uzr.com.ua)

Фото 2

Реостат с переменным сечением проволоки для расширения диапазона регулирования. Середина прошлого века

Фото 3

Герметизированное тепловое реле для эксплуатации в сильно загрязненной среде (на железной дороге). Первая треть прошлого века

Фото 4

Герметизированные реле - слева вакуумированное в баллоне, как электронная лампа, справа - обычные

Фото 5

Реле с весьма мощными контактами - слева, с "деликатными" - справа. На правом указан материал контактов - "AuNi5%"

Фото 6

Контакты троллейбуса, справа - углеродный, слева - чугунные. Прорези - для сцарапывания льда

Фото 7

"Свинки" и градусник, в котором ртуть замыкает два контакта

Оставить комментарий © Copyright Ашкинази Леонид Александрович (leonid2047@gmail.com) Размещен: 07/04/2011, изменен: 16/09/2016. 19k. Статистика. Статья: Техника Иллюстрации/приложения: 7 шт.	Ваша оценка:

Ашкинази Леонид Александрович Есть контакт!

Ашкинази Леонид Александрович
Есть контакт!