Дисципліна: "Матеріалознавство та елементна база телекомунікаційних та радіотехнічних систем"

МЕТОДИЧНІ  ВКАЗІВКИ  ЩОДО ПРОВЕДЕННЯ  ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

"ДОСЛІДЖЕННЯ  ПЕРЕХІДНОГО  ОПОРУ  КОНТАКТНИХ З'ЄДНАНЬ "

Ціль роботи: - дослідити залежність перехідного опору контактних поверхонь з'єднувача від фізичних властивостей матеріалів контактів, від значення контактного зусилля.

Короткі теоретичні відомості

Електричним контактом називається місце переходу струму з одного струмоведучого елемента в іншій. Є велика розмаїтість форм і конструкцій контактів, однак для всіх їх загальним є параметр - перехідний опір контакту. Контакт - небажаний елемент апарата або установки. Чим менше контактів у схемі, тим вона надійніша.

Перехідний опір являє собою електричний опір, що має місце в перехідному шарі між поверхнями, що утворюють контакт. Перехідний шар являє собою складне утворення, що виникає при зминанні виступів, коли стискуються дві контактні поверхні. Якщо подивитися через мікроскоп навіть на добре оброблену поверхню, то можна бачити, що ця поверхня буде мати виступи й западини (див. рисунок 1). 

Рисунок 1 -  Перехідний шар між контактними поверхнями

При накладенні поверхонь І і ІІ одна на іншу вони стикаються не всією площею, а лише вершинами виступів. Для того щоб контактні поверхні торкалися один одного не вершинами виступів, а контактними площадками, для цього необхідно за допомогою сили натискання F зім'яти горбки, утворивши з них контактні площадки а, б, в.

При виборі матеріалу контактів необхідно забезпечити виконання цілого ряду вимог: велика механічна міцність, висока температура плавлення, гарні теплопровідність і електропровідність, стійкість проти корозії й ерозії. Низька вартість, звичайно, бажана, але вона не ставиться до основних вимог. Основні вимоги - це ті, які забезпечують високу надійність контакту.

За величиною комутованого струму контакти поділяють на низькострумові і великострумові.

Низькострумові контакти виготовляють с нанесенням покриттів з благородних та тугоплавких металів, переважно зі срібла, платини, паладію, золота, вольфраму та сплавів твердих розчинів на їх основі (золото-срібло, срібло-паладій, срібло-мідь, платина-іридій, платина-срібло).

Контакти зі срібла та його сплавів широко використовують в реле, в пристроях електронної техніки, в радіоапаратурі, приладах автоматики, в апаратурі авіаційного та морського обладнання.

Сплави з золота використовують для ковзних контактів потенціометрів, у вимірювальних приладах, малогабаритних реле, в штепсельних разнімах.

Платинові контактні сплави використовують в прецизійних реле,  в малогабаритних реле радіоелектронної апаратури, контрольних реле авіаційного електрообладнання.

Вольфрамові контакти використовують в контрольних реле авіаційного обладнання.

Великострумові контакти переважно виготовляють з металокерамічних матеріалів, що отримуються методами порошкової металургії тугоплавких металів (вольфрам, молібден і сплави на їх основі).

Металокерамічні матеріали складаються з компонентів, що не взаємодіють один з одним, один з яких є тугоплавким, а другий має добру електропровідність. Добре зарекомендували себе наступні матеріали: срібло-оксид кадмію, срібло-нікель, срібло-графіт, срібло-вольфрам, мідь-вольфрам, мідь-графіт.

Іншою причиною виникнення перехідного контактного опору R_п є наявність на контактних поверхнях різних плівок, що утворююся під впливом кисню повітря, азоту, озону та інших хімічних реагентів і мають високий питомий електричний опір.

При замиканні контактів у міру збільшення сили натискання плівки в місцях зіткнення і на виступах починають руйнуватися, утворювати зони чисто металевого торкання. При цьому відбувається деформація матеріалу виступів, у результаті чого збільшується як кількість точок дотику, так і їхня сумарна площа.

На підставі дослідних даних значення перехідного опору визначається виразом:

,                                             (1)

де  С - коефіцієнт, що залежить від властивостей матеріалу контактів, а також від способу обробки й чистоти контактної поверхні, Омкг;

       F – сила контактного натискання, кг;

 n – коефіцієнт, що залежить від числа точок дотику контактних поверхонь. Для точкового контакту  n = 0,5…0,59,  для  лінійного контакту    n = 0,6…0,85,  для   поверхневого та циліндричного контактів  n = 0,86…1 (див. рисунок 2).

Рисунок 2 – Типи контактів по числу точок дотику контактних поверхонь

Коефіцієнт С залежить від фізичних властивостей матеріалів контактів, питомого електричного опору, механічної міцності, теплопровідності, здатності матеріалів контактів до окислювання. Цей параметр може бути знайде за допомогою формули:

.      [Ом·м]                                      (2)

де     ρ - питомий опір матеріалу, Ом·мм²;

 σ - межа пружності матеріалу, кг/мм².

Контактне натискання – це зусилля, з яким одна контактна поверхня впливає на іншу. Число зіткнень у контакті швидко росте при натисканні. Тому при створенні контактних з'єднань застосовують різні способи натискання й скріплення провідників.

При збільшенні сили контактного натискання перехідний опір контакту  зменшується, причому ця залежність має гіперболічний характер (див. рисунок 3).

Рисунок 3 – Залежність перехідного опору від сили контактного натискання

Контактне натискання повинне бути досить великим для того, щоб забезпечити малий перехідний опір, але воно не повинне викликати пластичних деформацій у металі контактів.

У процесі експлуатації під дією різноманітних факторів перехідний опір контакту збільшується. Контактне з'єднання може настільки погіршитися, що може стати джерелом відмови РЕА.

Перехідний опір контактів можна визначити методом вольтметра й амперметра або мікроометром.

Порядок виконання роботи

 У результаті дослідження різних контактних матеріалів  отримані результати вимірів перехідних опорів залежно від  контактного зусилля (див. таблицю  1).

Таблиця  1 - Результати вимірів перехідних опорів R_пер, мОм

Згідно  з варіантом за даними  таблиці 1  побудуйте  в  програмі  Exel  графік  залежності R_n = С/ Fⁿ.  Приклад побудови цього графіка показаний на рисунку 4.

Рисунок 4 - Графік залежності R_n = С / Fⁿ 

Клацніть правою кнопкою миші по графіку R_n = С / Fⁿ  ; у  вікні, що відкриється, натисніть опцію «Формат  лінії тренда»; у вікні для настроювання параметрів лінії  тренда виберіть тип «Ступенева»  і виберіть опцію «Показувати рівняння на діаграмі». Натисніть кнопку «Закрити».

Апроксимація обмірюваних  даних буде виражена ступеневою залежністю y = kx^-b,  де параметр k дорівнює коефіцієнту C , параметр b  дорівнює коефіцієнту n  (див. формулу (1)).

Занесіть результати апроксимації графіка в таблицю 2.

Визначте тип контакту (див. рисунок  2).

Результати дослідження занесіть у таблицю 2.

Таблиця 2  - Визначення матеріалу контактних поверхонь (приклад)

Для обраного матеріалу згідно з варіантом контактів визначте коефіцієнт С за формулою (2), використовуючи дані  таблиці 3.

Таблиця 3 – Характеристики матеріалів контактних поверхонь

Результати аналітичного обчислення коефіцієнта С  занесіть  у таблицю 2.

Порівняйте розрахункові й експериментальні дані залежності досліджуваного матеріалу контактів від властивостей матеріалу контактів, а також від способу обробки й чистоти контактної поверхні.

Зміст звіту з лабораторної роботи

1. Назва і мета роботи.

2. Графік залежності R_n = С / Fⁿ  з лінією тренду та її рівнянням.

3. Таблиці вимірів та обчислень. Формули розрахунків.

4. Короткі висновки за результатами виконання роботи.

5. Короткі відповіді на контрольні запитання.

Контрольні запитання

1.               Чи залежить перехідний опір від температури контакту?
2.               Які вимоги  необхідно забезпечити при виборі матеріалу контактів?

Література

1.               Журавльова Л. В. Електроматеріалознавство: підручник.  Київ : Грамота, 2006.
2.               Леонтьєв В. О. Електротехнічні матеріали: навчальний посібник.  Вінниця : ВНТУ, 2013. 
3.                Боброва Т.Б. Основи матеріалознавства : навчальний посібник.  – Київ : ТОВ «Компанія МТП»,  Ресурсний центр ГУРТ, 2016.