Kontaktwiderstand

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Der Kontaktwiderstand ist der Widerstand einer elektrischen Kontaktfläche. Er setzt sich aus dem Engewiderstand und dem Fremdschichtwiderstand zusammen.

Engewiderstand[Bearbeiten]

Der Engewiderstand entsteht durch die mikroskopische Unebenheit einer Kontaktfläche. Die wirksame Berührungsfläche ist dadurch kleiner und der Stromfluss wird eingeengt. Der Engewiderstand ist abhängig vom spezifischen Widerstand des eingesetzten Materials, den Oberflächenunebenheiten (z. B. entstanden durch Abbrand), sowie der Anzahl der wirksamen Kontaktflächen. Die Größe der Kontaktpunkte ergibt sich aus der Kontaktnormalkraft und der Härte bzw. Festigkeit des Oberflächenwerkstoffes. Für die elektrische Leitfähigkeit, ausgedrückt in der Einheit Siemens, des Kontaktes ergibt sich vereinfacht:

\Lambda \approx\frac{3{,}7}{E^{*} \cdot \rho \cdot l} \cdot F_N

Mit dem effektivem Elastizitätsmodul

E^* = \frac{E}{2\cdot(1-\nu^2)},

dem Elastizitätsmodul E, Poissonzahl \nu \approx \tfrac{1}{3} bei metallischen Werkstoffen, \rho dem spezifischen elektrischen Widerstand des Kontaktmaterials, l dem quadratischen Mittelwert der Höhenverteilung (wenn nicht näher bekannt, gut mit 2\cdot10^{-6}\, \mathrm{m} angenähert) und F_N der Normalkraft auf den Kontakt.

Wie die Reibungskraft ist auch die Kontaktfläche proportional zur Normalkraft und hängt nicht von der (scheinbaren) Kontaktfläche ab. Die Leitfähigkeit hängt nur von der Höhentopographie der rauen Oberfläche, nicht aber von der detaillierten Oberflächentopographie ab. Sobald die Kontaktlänge die Größenordnung der linearen Abmessung D des Körpers erreicht, steigt die Leitfähigkeit nicht weiter; in Sättigung ist \Lambda_{\mathrm{max}} \approx D/\rho.

Beispiel: Kontaktwiderstand von zwei ebenen Kupferscheiben mit D=1 mm, die mit der Kraft 2,7 N aneinander gepresst werden. Für Kupfer ist bei Raumtemperatur:

\rho \approx 1{,}8\cdot10^{-8}\, \Omega \mathrm{m},\ E^*\approx 5{,}6\cdot10^{10}\, \mathrm{Pa}

und damit:

R = \frac{1}{\Lambda} = 0{,}1\, \mathrm{m}\Omega

Die Sättigungskraft ergibt sich zu 56 kN.

Fremdschichtwiderstand[Bearbeiten]

Durch Korrosion (z. B. Oxidation) entsteht auf der Kontaktoberfläche eine Fremdschicht, die den Widerstand erhöht. Um dies zu vermeiden werden Edelmetalle wie Gold, Silber, Palladium oder Platin verwendet, oft nur in dünnen Schichten. Schalter und Relais können außerdem so konstruiert werden, dass die Kontaktflächen im Schaltmoment kurz aneinander reiben und so die Fremdschicht wieder abgetragen wird. Ein Fremdschichtwiderstand stört insbesondere bei sehr kleinen Spannungen. Einige dieser sehr dünnen Schichten werden beim Schalten etwas höherer Spannungen wieder durchschlagen. Diesen Effekt nennt man Frittung, die dazu benötigte Spannung Frittspannung. Konstante und/oder geringe Widerstände sind wegen der Beeinflussung der Signale (z. B. Elektroakustik oder Messtechnik) oder wegen Leistungsverlusten wichtig. Die Wahl der Oberflächenmaterialien ist auch wichtig bei Steckungen bzw. Schaltungen im Strom-führenden Zustand. Daneben wirken mechanische Belastungen auf die Oberflächen ein. Durch beides können dünne Edelmetallschichten leicht zerstört werden. Die Kontaktoberfläche muss also je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgelegt werden.

Um den Kontaktwiderstand bei Klemmkontakten zu verringern, können oder müssen Fremdschichten vor dem Anschluss beseitigt werden. Bekannt dafür ist insbesondere Aluminium, welches bereits nach kurzer Lagerung harte isolierende Oxidschichten bildet. Es wird nur bei großen Leiterquerschnitten eingesetzt und zum Kontaktieren freigebürstet und gefettet. Für kleine Querschnitte (Hausinstallation) wird es nicht mehr eingesetzt, das auch, weil es sich aufgrund seines Kriechverhaltens in Klemmen lockert und Oxidschichten die Kontaktfläche unterwandern. Es setzt ein sich selbst fördernder Prozess des Kontakt-Versagens ein: ein erhöhter Übergangswiderstand führt aufgrund der Stromwärme zu erhöhter Temperatur und somit zur weiteren Lockerung und Oxidation.

Auswirkungen[Bearbeiten]

Elektrische Kontakte (Klemmen, Relais- und Schalt-Kontakte, Schleifkontakte) müssen unter Berücksichtigung der beiden vorgenannten Effekte konstruiert werden:

  • Vermeidung von Korrosion (Edelmetalle, Fett, Kontakt-Korrosionsschutzöle)
  • großer Kontaktdruck (z. B. Klemmen, Federzug-Klemmen, nicht zu grosse Flächen)
  • Gegeneinander-Bewegen (Schleifkontakt, Stufenschalter, Potentiometer), (Abnutzung beachten)

Die beiden letzten — bei Kontakten lästigen — Effekte werden u. a. beim Kohlemikrofon ausgenutzt, um mechanische Mini-Bewegungen bzw. Anpressdruckänderungen (Schalldruck) über ein Widerstandsänderung in eine Wechselspannung zu wandeln. Auch fußbediente Anlasswiderstände an älteren Nähmaschinen nutzten diesen Effekt - sie bestanden aus einem dem Pedaldruck ausgesetzten Stapel aus Graphit-Scheiben.

Beim Fritter wird der Übergangswiderstand dagegen durch die Hochfrequenz-Spannung beeinflusst und damit amplitudenabhängig. So konnte er zur Detektion von Funksignalen verwendet werden.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Ragnar Holm: Electrical Contacts Handbook. 3 Auflage. Springer-Verlag, 1958.
  •  Valentin L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation. Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-540-88836-9.
  •  Eduard Vinaricky, A. Keil, W. A. Merl: Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen. Springer-Verlag, 2002, ISBN 978-3-540-42431-4.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks / Referenzen[Bearbeiten]