3.8.2. Разрывные контакты

Разрывные контакты предназначаются для периодического замыкания и размыкания цепи. Они работают в наиболее трудных условиях – возникающие дуга или искра вызывают коррозию и эрозию. Коррозия приводит к окислению контакта, т. е. иногда к разогреву и свариванию. Эрозия может вызвать появление кратера на одном и иглы на другом контакте.

Разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные (слаботочные – от долей до единиц ампер) и тяжелонагруженные (сильноточные – от единиц до тысяч ампер).

Слабонагруженные контакты изготавливают из благородных металлов (серебра, золота, платины и различных сплавов на их основе, например, сплавы систем: «золото – серебро», «платина – рутений», «серебро – палладий», «серебро – магний – никель» и др.). Эти сплавы имеют низкое переходное электросопротивление, стойки к окислению, но стойкостью к эрозии они не обладают.

Наибольшее распространение при производстве контактов имеют серебро и сплавы на его основе (окисел серебра тоже электропроводен), а также сплавы серебра с медью, которые имеют высокие электропроводность, твердость и сопротивление эрозии, но медь снижает стойкость против окисления.

Высоконагруженные контакты изготавливаются из вольфрама, молибдена, их сплавов и металлокерамических композиций. Вольфрам достаточно электропроводен, имеет устойчивое низкое переходное электросопротивление, высокое сопротивление эрозии, не сваривается и применяется для изготовления контактов, подвергающихся частым переключениям. Недостатком молибдена является образование в нем рыхлых оксидных пленок, которые могут внезапно полностью нарушить контактную проводимость.

В наиболее мощных контактах используют спеченные композиции вольфрама с серебром или медью или спекают пористый вольфрам, который затем пропитывают жидкой медью или серебром в вакууме. Применяют тройные композиции: «серебро – никель – графит», «серебро – вольфрам – никель». В мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях используются сплавы «медь – вольфрам», в высоковольтных масляных выключателях – «медь – молибден».

Для изготовления разрывных контактов, эксплуатируемых при повышенных напряжениях и контактных давлениях, используют твердую медь, что существенно удешевляет электротехнические устройства.

3.9. Магнитные материалы

Магнитные свойства материалов характеризуют следующие величины:

В – магнитная индукция (плотность магнитного потока), измеряется в тесла (Тл), тесла равна магнитной индукции, при которой через поперечное сечение площадью 1 м² проходит магнитный поток в 1 Вб;

Н – напряженность магнитного поля, А/м;

М – намагниченность материала под действием магнитного поля;

 – магнитная проницаемость (способность сгущать магнитные силовые линии), характеризует способность материала намагничиваться – В/Н.

По магнитным свойствам все материалы делятся на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. На практике под магнитными материалами понимают материалы, обладающие свойствами ферромагнетика: железо, кобальт и никель.

У ферромагнетиков магнитные моменты атомов ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов. Магнитные домены – это элементарные объемы ферромагнетика, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. Весь объем ферромагнетика разделен на множество доменов. В домене нескомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу (в отсутствие внешнего магнитного поля) в результате самопроизвольной намагниченности при температурах ниже точки Кюри (для железа – 768С). Домены имеют размеры порядка 0,001 – 10 мм³ при толщине пограничных слоев (границ) между ними в несколько десятков ангстрем. В доменных границах происходит постепенное изменение направления вектора намагниченности от одного домена к направлению вектора намагниченности в соседнем домене. Доменное строение – характерная особенность ферромагнетиков, которое обеспечивает их особенности: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и т. п.

Магнитная восприимчивость k_М и магнитная проницаемость  ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 10⁶) и зависят от напряженности внешнего магнитного поля и температуры, они легко намагничиваются даже в слабых магнитных полях. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов начинают ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим.

Магнитная анизотропия. В монокристаллах существуют кристаллические направления легкого и трудного намагничивания. Кристаллографическая ячейка -железа имеет решетку объемоцентрированного куба и осями легкого намагничивания будут ребра куба. Направлением трудного намагничивания является пространственная диагональ куба. Для никеля, имеющего решетку ГЦК, наоборот, ось легкого намагничивания – диагональ куба, а ось трудного намагничивания – ребро куба. Затраты энергии намагничивания вдоль направления легкого намагничивания намного меньше (у железа – в 5 – 10 раз), чем при намагничивании вдоль трудного намагничивания. У электротехнических сталей методом прокатки создают преимущественную ориентацию отдельных кристаллов (зерен) в нужном направлении (магнитная текстура). Магнитное текстуирование трансформаторных сталей широко используется при производстве шихтованного железа.

Магнитострикция – изменение линейных размеров ферромагнитных материалов при намагничивании.  – константа магнитострикции, фактически она является относительным удлинением.

Для -Fe в слабых магнитных полях (Н  32 кА/м)   0, в сильных полях (Н  32 кА/м)   0, а при Н = 32 кА/м  = 0.

М

r

r

агнитный гистерезис. Если предварительно размагниченный образец подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности внешнего магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться по кривой ОАБ и в точке А при Н = Н_S достигнет значения индукции насыщения В_S (рисунок). При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой АВ и при Н = 0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается В , с ней связано существование постоянных магнитов.

Петля гистерезиса. Для достижения полной размагниченности образца к нему необходимо приложить поле определенной напряженности и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Н_C. При дальнейшем увеличении отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при Н = Н_S достигает значений индукции технического насыщения: В = – В_S. После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую петлей магнитного гистерезиса (см. рисунок).

Вид петли гистерезиса

П

r

етля магнитного гистерезиса – это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от + Н_S до – Н_S и обратно. Пользуясь петлей гистерезиса, можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Н_C, индукцию насыщения В_S, остаточную индукцию В .

Коэрцитивная сила Н_C, магнитная проницаемость  зависят от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примесей и др. Чем больше значения перечисленных величин и меньше однородность структуры, тем больше Н_C и меньше .

Внутренние напряжения и дефекты при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате Н_C возрастает, а  снижается. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять термической обработкой.

Материал, подвергнутый закалке или холодной пластической деформации (прокатке, волочению), приобретает мелкозернистую структуру, которая имеет большую суммарную удельную поверхность зерен и, соответственно, большую Н_С и малую . Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, имеет крупнозернистую структуру с меньшей суммарной удельной поверхностью зерен, с малой Н_C и высокой .

Чем меньше Н_C и больше , тем легче намагничивается и перемагничивается материал.

Если рассматривать магнитные материалы с точки зрения легкости намагничивания и перемагничивания, то их можно подразделить на магнитотвердые и магнитомягкие материалы.