2.1 Сопротивление контакта
В современных системах автоматического управления в основном применяются электрические сигналы. Они легко формируются, обрабатываются, передаются и принимаются элементами. В основном электрические сигналы передаются по гальванической связи – через проводники. В месте соединения проводников образуется электрический контакт. Таких контактов в современных элементах и системах может быть очень много – сотни, тысячи и даже миллионы. Поэтому знание свойств электрических контактов и умение правильно их конструировать и применять так важно при проектировании элементов и систем автоматического управления. Неправильно спроектированные контакты могут существенно снизить надежность и долговечность всей системы или вообще сделать ее неработоспособной.
Проведем простой эксперимент: возьмем проводник определенной длины и сечения и замеряем его электрическое сопротивление R0.
,
(7)
где ρ – удельное сопротивление материала проводника, Ом*м
L – длина проводника, м
S – площадь поперечного сечения проводника, м2.
Разрежем проводник на две части, приведем их в соприкосновение и сожмем с некоторой силой FК, как показано на рис.14.
Рис.14
Определение сопротивления проводника.
Измерение сопротивления замкнутых таким образом частей проводника показывает, что величина сопротивления возрастает
(8)
Появившееся дополнительное сопротивление RK называется переходным сопротивлением контакта и состоит из двух частей
Эти составляющие переходного сопротивления имеют различную физическую природу. Первая составляющая RСТ называется сопротивлением стягивания, вторая составляющая RПЛ представляет собой сопротивление поверхностных пленок на соприкасающихся поверхностях.
Сопротивление стягивания вызвано тем, что непосредственный гальванический контакт соприкасающихся поверхностей происходит не по всей поверхности соприкосновения, а только на отдельных малых площадках, суммарная площадь которых существенно меньше. Величина этой суммарной площади определяется равновесием силы контактного нажатия FК и силы реакции деформации материала проводника
,
где σСЖ – прочность материала проводника на сжатие, Si – площадь i – й элементарной площадки контакта.
Из-за отсутствия сплошного контакта на поверхности соприкосновения линии тока в теле контакта будут деформироваться, стягиваясь к отдельным площадкам (рис. 15).
Рис.15.
Стягивание тока в контакте.
Увеличение длины и уменьшение поперечного сечения элементарных трубок тока приводит к увеличению их сопротивления, что и выражается в появлении дополнительного сопротивления RСТ. Величина сопротивления стягивания зависит от числа и суммарной площади элементарных площадок, которые в свою очередь зависят от свойств материала, геометрии контакта и величины силы контактного нажатия FК.
Опытным путем установлено, что величину RСТ можно с достаточной для практики точностью определять по эмпирической формуле
,
(9)
где a и b – справочные константы, зависящие от геометрии, размера и материала контакта (даются в справочниках) . Типовая зависимость RСТ(FК) показана на рис 16.
Рис.16
Влияние силы контактного нажатия
Составляющая RПЛ отображает дополнительное сопротивление, вызванное наличием на соприкасающихся поверхностях контакта пленок окислов, сульфидов и других химических соединений, образующихся при реакции материала контакта с окружающей средой. Эти соединения могут иметь значительное электрическое сопротивление даже при очень малой толщине. Например, двуокись алюминия Al2O3 применяется в микроэлектронике или в электролитических конденсаторах в качестве изолятора (диэлектрика).
Если контакт образован телами, выполненными из разных материалов, в контакте кроме рассмотренного переходного сопротивления возникает ЭДС, обусловленная различием концентрации носителей заряда (электронов) в материале контактирующих тел. Величина контактной ЭДС обычно составляет доли милливольта, но при создании прецизионных электронных схем ее приходится учитывать.