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发表于：2006-04-21 11:00:00

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导体的接触面积和接触电阻

深圳市爱博电气有限公司侯野飞/李兵

（摘要：在电流的传输过程中两个表面宏观接触表面应该等于导线的截面面积，两个导体真正相接触的部分只是
一定数量的点，由于材料表面的不平整性，真正的接触面积要比宏观上看到的接触表面要小。
关键词：接触电阻，驳克码）
在我们给客户讲解产品的过程当中有一个经常被问到的问题，“你们这种触点连接的插头插座，导体截面积够吗？”，“触点连接比插针套筒连接的接触面积小，能保证连接可靠吗？”电气工程师都知道，电流越大，必须使用越粗大的电缆。有些人自然认为接触的面积应该等于导线的截面面积，因而对电气连接器的可靠性提出怀疑。实际上，两个表面宏观接触表面应该等于导线的截面面积，两个导体真正相接触的部分只是一定数量的点，由于材料表面的不平整性，真正的接触面积要比宏观上看到的接触表面要小。（图2）

优质的开关设备产品大都采用用银合金的接触点，通常触点是半球形的，而且把重点放在施加的力上而不是放在假定的接触面积上。种概念在接触器或者断路器制造业中得到广泛采用。从这个意义上讲，插头和插座是一个例外。

1．接触电阻的物理概念
无论使用哪一种接触，导体接触的不连续性会产生一个附加的电阻——称为“接触电阻”）。这个电阻比接
触器自身的电阻（在没有接触面存在时）要大。这个电阻值将决定连接的质量，因为：接触电阻阻值越高，则接触电阻上的压降越大，因而接触点释放的热量将越多。如果温度上升到一定的极限，接触点就会损坏。温度越高，损坏就越快，这种现象会迅速蔓延。

接触点接触电阻主要由以下两个参数决定：

    接触表面的状态
    所施加力的作用（图4）

1．1 接触表面的状态
三个主要参数决定了接触表面的状态：（图1）
    物理化学结构
从微观角度来看，一个表面的物理化学结构是非常复杂的，周围环境中的外来元素与材料发生反应形成一个表面层，通常称为“侵蚀层”。
    表面的粗糙度
一个表面的粗糙度是复杂的，表面的粗糙度由所采用的生产技术所决定，而且通常具有随机性和不可重复。它引入了材料挤压压力及塑性变形的概念。
    表面的几何形状
从宏观角度来看，一个接触表面的几何形状是比较容易确定的。这个形状将决定在两个表面之间宏观的接触面积。
1．2 接触电阻的值
由于材料钢性及粗糙度的影响，实际的机械接触不是发
生在整个宏观的接触面上。机械接触只发生在一定数目的接
触点上，称为“元素接触点”。

接触电阻有两部分组成：
    约束电阻
    薄膜电阻

1．2．1 约束电阻
约束电阻是由于当电流线穿过一些“元素接触点“处产
生偏移而造成的。（图3）

1．2．2 薄膜电阻
薄膜电阻是由于在接触表面上的污染或氧化层造成的。
由此我们得出如下结论，接触电阻的总值由以下几点
决定：
    接触点的几何形状（几何形状决定了接触点的可见接
触面积），
    两个导体间施加的压力，
    材料的导电率，
    材料的硬度和粗糙度，
    表面层的导电系数，尤其是在表面被侵蚀的状态下。

1．3 磨损
磨损是接触点质量的一种恶化，这是由于在两个接触面之间微观运动磨损微粒和磨损微粒在材料表面的微孔里积累的氧化微粒所造成的。
这些微观的移动是由于振动，冲击，或者在不考虑外界因素情况下由于材料的热膨胀而产生的。这些氧化颗粒构成了第三类材料。

磨损机理有以下四个主要步骤：
1．在黏附力作用下，产生磨损微粒，
2．这些磨损微粒在表面的微观小孔里氧化和积累，
3．被氧化的微粒由于接触面的磨擦运动从小孔中飞出，
4．形成一层薄的碎片，这层碎片然后转化为粉末，这种粉末起到润滑剂的作用，减少磨损的效率。

2．材料的影响
接触材料的选择当然是最重要的。当施加的力为一常
量时，以下的表格给出了最通用的材料在两种不同情况下
所测得的接触电阻：
    全新
    生锈或表面氧化后

2．1 银
从所有可以购买到的金属来看，银金属具有最低的接触电阻。由于Ag2O也是一种好的导体，因而银金属不受湿气或者干燥空气的影响。甚至在高温或者失去光泽后都能保持优良的电特性。在低温情况下产生的硫化银（Ag2S黑银）电阻性稍微强点，但它并不稳定。硫化银会在 300摄氏度（570华氏度）下消失，而且它可以在电弧作用下除去。银金属由于具有非常低的接触电阻，在高电流情况下尤其受欢迎。但另一方面，由于银是软金属，容易磨损。银金属不能承受重复的电弧，因为重复的电弧会将银挥发掉，而且银需要在相对低的压力和温度下进行焊接。因而，银金属不适合用于“开关“设备。
2．2 金
金具有很低的接触电阻，而且这个接触电阻还不会随时间变化，因为金在通常情况下不会被氧化。除了金的经济成本不可行以外，从物理性质的角度来看，金还有同银一样的弊病。
2．3 黄铜
黄铜（铜与锌按不同比例合成的金属）是比较合算的材料，它确实适合将零件加工成具体应用要求的形
状。不过，黄铜也是以上所列材料中最次的。由于锌是一种导电率较弱的材料，因而全新的黄铜有很大
的接触电阻，但是当黄铜中的铜氧化以后，黄铜就没有用了。另外，黄铜不能耐电弧，它很容易在磨檫
下损坏。
2．4 铜
铜比黄铜要贵，机械加工差。但是，当需要更高的导电率时，会选择铜。跟黄铜一样，铜容易在环境温度下氧化，因而会使接触电阻大大地增加。当将铜暴露于常见的污染物质，如氧化硫、氧化氮、酸性物质（即使浓度较低），或者卤素物质时，将会在铜的表面生成一层具有高电阻性的氧化亚铜（Cu2O）。在电弧作用下，表面的铜斑将被进一步氧化而变的不能使用。而且，本质上来讲，铜不利于快速灭弧，它不同于其他材料，它的阴极点会停留在一个稳定的位置，从而禁止它的电压增大，这种“稳定”会大大地增加铜斑的生成。

在真空，氖气或者六氟化硫密封的情况下，铜的氧化可以完全被消除。而且他的性能可以跟在空气中的银合金相当。然而，这种密封要求对于插头和插座是不可能。在空气中，铜以及铜合金由于会生成电阻性的表面层，它们在没有电镀的情况下从未作为接触材料在开关行业中使用。即使对于低成本的MCB（小型断路器）也没有采用铜作为两边的

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