3.3.3. Материалы разрывных контактов

Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. При этом между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а следовательно, к снижению механической прочности, окислению материала контактов, появляется вероятность их сваривания, а также возможна эрозия материала.

Для того чтобы материал разрывных контактов надежно работал, он должен удовлетворять следующим требованиям:

• иметь высокую электропроводность;

• быть устойчивым к коррозии;

• иметь высокую температуру плавления;

• быть твердым;

• иметь высокую теплоту испарения;

• обладать высокой теплопроводностью;

• низкой стоимостью.

Удовлетворить всем этим требованиям одновременно невозможно, поэтому в каждом конкретном случае выбор материала разрывных контактов является достаточно сложной задачей. Рассмотрим примеры выбора материалов разрывных контактов для некоторых случаев.

Для малоответственных разрывных контактов (бытовые выключатели) в качестве материала обычно выбирают латунь – сплав меди с цинком. Наличие в сплаве цинка приводит к повышению механической прочности и росту коррозионной стойкости.

Для ответственных контактов, работающих при малых напряжениях и коммутирующих малые токи (контакты маломощных реле), используют серебро.

В тех случаях, когда рабочее напряжение на контактах велико, но токи небольшие, используют металлы платиновой группы (платину, палладий, иридий, осмий, рутений и родий). При коммутации больших токов, когда нагрев контактов велик, используют композиционные материалы (порошки вольфрама или молибдена, пропитанные жидкой медью или серебром). Для мощных контактов также используют металлокерамические композиции – серебро и окись кадмия (СОК). При разработке последнего материала учтен тот факт, что при нагреве выше 900°С окись кадмия диссоциирует на пары кадмия и кислород. Давление в дуге возрастает, длина пробега ионов сокращается и дуга гаснет. При снижении температуры пары кадмия взаимодействуют с кислородом и окись кадмия конденсируется на контакте. Таким образом, эрозия материала контакта уменьшается, а долговечность его работы резко увеличивается.

3.3.4. Материалы скользящих контактов

В основном к материалам скользящих контактов предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов. Однако особенно остро ставится вопрос об уменьшении износа при трении. Для снижения износа при трении контактирующих пар необходимо повышать твердость материалов и использовать смазку. Естественно, что смазка должна быть электропроводной.

Для коллекторов электрических моторов используют холоднодеформированную медь, а для щеток используют графит. Графит благодаря своей структуре является хорошей электропроводящей тугоплавкой твердой смазкой. Для тяжелонагруженных машин для изготовления щеток используют металлографитовые щетки – медно-графитовые и бронзо-графитовые.

IV. Магнитные материалы

4.1. Магнитные свойства твердых тел

Магнитные свойства веществ были обнаружены очень давно. Более двух тысяч лет назад намагниченные материалы использовали в качестве компаса. Однако причины возникновения магнетизма прояснились относительно недавно. Важнейшую роль в развитии учения о магнетизме сыграла гипотеза Ампера, согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены элементарными токами, циркулирующими внутри вещества. Последующее развитие физики атомной и ядерной блестяще подтвердили эту гипотезу. Элементарными токами оказались токи электронов, движущихся вокруг атомных ядер. Каждая молекула вещества характеризуется магнитным моментом

m_i= i S , (4.1)

где i - элементарный молекулярный ток, S - площадь его контура.

Если вещество не намагничено , то молекулярные токи ориентированы хаотически и их суммарный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля элементарные магнитные моменты вещества m_i ориентируются, создавая суммарный момент М:

М=  m_i (4.2)

Отношение суммарного магнитного момента к объему тела называют намагниченностью материала:

I = M/V . (4.3)

Состояние магнитного поля в системе СИ характеризуют с помощью вектора напряженности магнитного поля Н и вектора индукции В, которые в вакууме связаны соотношением

В₀ = ₀ Н , (4.4)

где ₀ = 1,26  10^–7 Гн/м - магнитная постоянная в системе СИ.

В присутствии материала его намагниченность I зависит от напряженности внешнего магнитного поля

I =  Н , (4.5)

где  - безразмерный коэффициент, который называют магнитной восприимчивостью материала.

Намагниченность приводит к дополнительной магнитной индукции молекулярных токов

В₁ = ₀ I = ₀  Н . (4.6)

Суммарная магнитная индукция, действующая в магнетике, будет, таким образом, равна

В=В₀+В₁ . (4.7)

Подставляя (4.4) и (4.6) в (4.7), получим

В = ₀ Н + ₀  Н = (1+) ₀ Н = ₀ Н . (4.8)

Безразмерную величину

 = 1+ (4.9)

называют относительной магнитной проницаемостью вещества.

Диамагнетики

• < 0

^–5^

Парамагнетики

• > 0

^–4^

Ферромагнетики

• >> 1

²^

По величине магнитной восприимчивости все материалы принято делить на группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Характерные значения для них приведены ниже.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к слабомагнитным материалам. В них индукция магнитного поля изменяется незначительно:

 = 1 +  ~ 1.

У ферромагнетиков, сильно взаимодействующих с полем, намагниченность велика. Поэтому в них индукция магнитного поля возрастает многократно. Именно такие материалы нашли широкое применение в технике. Рассмотрим их подробнее.