ГЛАВА ВТОРАЯ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ
В процессе выполнения своей основной функции передачи тока между взаимоперемещающимися частями электрических машин элементы скользящего контакта находятся в весьма сложном взаимодействии. При этом между контактирующими элементами возникают силы трения, происходит их взаимное изнашивание, Выделяется тепло, протекают химические реакции, появляются вибрации и т. п. Каждое из перечисленных явлений имеет свою физическую природу и оказывает влияние на работу всего контакта в целом. Рассмотрим явление передачи тока.
Известно, что процесс прохождения тока в любой электрической цепи, в том числе и в цепи, содержащей скользящий контакт, обусловлен перемещением носителей тока. Таковыми могут являться электроны, положительные и отрицательные ионы и «дырки». Для того чтобы решить вопрос о том, какие из перечисленных носителей проявляют себя в рассматриваемом виде скользящего контакта, необходимо ознакомиться с его структурой. Рассматривая расположение электрощеток и коллектора после того как контакт проработал в течение длительного периода времени, можно обнаружить, что область контакта состоит из трех зон. В одной из них возможность перемещения носителей тока обусловлена непосредственным соприкосновением контактирующих элементов. В другой зоне подобное соприкосновение нарушается появлением клиновидных зазоров между контактирующими элементами. Зазоры наполнены пылевидными продуктами их износа, создающими электрическую цепь, подобную той, которая образуется в микрофоне угольным порошком. В контакте существует еще и третья зона, в которой расстояние между контактирующими элементами является более значительным, чем во второй зоне, и зазоры в которой хотя и содержат продукты износа, но их количество недостаточно для того, чтобы замкнуть электрическую цепь. По указанной причине прохождение тока в третьей зоне оказывается возможным только благодаря проводимости воздушного промежутка. Из изложенного следует, что весь проходящий через электрощетку ток передается противостоящему элементу тремя путями: а) через точки непосредственного механического контакта; б) через порошкообразные продукты износа; в) через воздушный промежуток. Однако столь четкое разделение области контакта на три зоны сохраняется далеко не во все периоды его работы. В зависимости от состояния вращающейся поверхности скольжения, частоты ее вращения, частоты пусков и реверсов, нагрузки и многих других факторов размеры каждой из зон будут изменяться, а некоторые из них могут даже исчезать. Вот почему при определении путей прохождения тока в скользящем контакте всегда приходится предусматривать возможность одновременного существования всех трех зон, не оговаривая, какая из них в данный момент является главенствующей. Кроме того, не следует также упускать из виду и то обстоятельство, что в основе приведенного деления области контакта на три зоны лежал фактор конструктивного порядка (например, тангенциальный размер щеток и его отношение к радиальному). Именно этот фактор определял возможные пути прохождения тока в зависимости от складывающейся в каждой из зон ситуации (наличие или отсутствие контакта). Если отвлечься от возможных изменений конструктивного оформления путей прохождения носителей тока и обратиться к физике, то окажется, что здесь могут иметь место две следующие возможности: а) носители тока перемещаются внутри кристаллической решетки контактирующих твердых тел, не. выходя в окружающее их пространство; б) носители тока покидают кристаллическую решетку одного из контактирующих тел, выходят в окружающее пространство и, пройдя определенный участок пути в этом пространстве, снова попадают в кристаллическую решетку твердого тела.
1 Для создания непосредственного контакта необходимо, чтобы расстояние между контактирующими элементами было того же порядка, что и расстояние между атомами в кристаллической решетке, т. е. 10-8 см.
Далее им предстоит еще пройти по участку «политура—толща металла коллектора». При неповрежденной в механическом и электрическом отношениях политуре эквивалентная схема этого участка пути может быть представлена в виде плоскостного двухэлектродного перехода (диода), в котором контактирующими элементами является полупроводник p-типа (пленка и металл). В случае отсутствия политуры, когда электрощетка соприкасается непосредственно с поверхностью скольжения, описанный несколько выше точечно-контактный полупроводниковый р-n-тетрод превращается в переход типа металл — полупроводник с электронной проводимостью.
Рис. 2-1. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода.
Закономерности прохождения носителей тока в переходах описываемых типов изучаются с помощью зонной теории. В отличие от электронной теории, которая рассматривает электрический ток как направленное движение свободных электронов кристаллической решетки твердого тела, зонная теория объясняет возникновение тока переходом его носителей на более высокие энергетические уровни
[Л. 1-7, 1-16, 1-17, 2-1].
Для изучения закономерностей прохождения носителей тока в скользящем контакте, рассматриваемом как описанные выше переходы, можно воспользоваться сопряженными зонными диаграммами. С помощью подобных диаграмм удается установить, что направление и величина тока через переход зависят от знака и величины приложенного к нему напряжения. Если это напряжение прикладывается так, что ток через переход усиливается, то его называют прямым, при уменьшении тока — обратным. Аналогичные названия присваиваются и соответствующим токам. Связь между током и напряжением в описываемой ситуации изображается вольт-амперной характеристикой, показанной на рис. 2-1, из рассмотрения которой следует, что при данном значении внешнего напряжения прямому току оказывается значительно меньшее сопротивление, чем обратному.
Переходы, обладающие характеристикой, показанной на рис. 2-1, называются выпрямляющими. Ветви этой характеристики изменяются по экспоненциальному закону. Для них характерно наступление такого состояния, при котором изменение одних величин не вызывает изменения других. В подобном случае принято говорить о наступлении режима насыщения. Здесь следует заметить, что описанный механизм прохождения тока через политуру и переход его в металл изменяется, когда напряженность электрического поля внутри пленки достигает величины порядка 108—107 В/см. В этом случае происходит" электрический пробой пленки. Некоторые авторы склонны считать, что подобный пробой является основным способом прохождения тока на этом участке пути его следования [Л. 1-9].
Рассмотрим далее условия прохождения тока через воздушный зазор. Для того чтобы подобный процесс мог совершиться, носителям тока необходимо покинуть кристаллическую решетку твердого тела и выйти в окружающее его пространство. Носителями тока на этом участке пути его следования являются электроны. Выход из материала контактирующих элементов, которые в данном случае следует рассматривать как электроды, называется эмиссией. В соответствии со знаком заряда электроны эмигрируют с отрицательно поляризованного электрода—катода. Эмиссия электронов из катода определяется особенностями силового поля, действующего на границе твердое тело — среда. Дело в том, что, когда электроны проводимости выходят из твердого тела, на них начинают действовать силы двух родов: силы отталкивания от остающихся в твердом теле связанных электронов и силы притяжения со стороны положительно заряженных узлов кристаллической решетки. Поскольку вторые больше первых, на границе раздела создается силовое поле, стремящееся удержать электроны в твердом теле.
Связь между током и напряжением в рассматриваемых условиях является чрезвычайно сложной. До тех пор, пока количество образующихся в воздушном зазоре электронов и ионов будет превышать количество частиц, попадающих на электроды, ток в цепи возрастает с увеличением напряжения так, как это показано на участке ОА рис. 2-2. По мере повышения приложенного напряжения все образующиеся заряженные частицы переносятся на электроды и рост тока прекращается (участок АВ). При дальнейшем возрастании приложенного напряжения в зазоре происходит ионизация атомов воздуха электронами вследствие столкновений. В результате ток сначала медленно, а затем все более интенсивно растет. Описываемый разряд называют тихим или таунсендовским. Он является несамостоятельным, поскольку прекращается одновременно с прекращением действия источника ионизации. Если напряжение на электродах, образующих зазор, превысит значение потенциала пробоя Ubd, то разряд уже может существовать самостоятельно, без внешнего источника ионизации.
Область существования такого нормального тлеющего разряда соответствует участку DE. При таком разряде в прикатодной области появляется спокойное, не особенно яркое свечение, а величина плотности тока в ней сохраняется постоянной. По мере увеличения общего тока, проходящего через зазор, светящаяся область на катоде расширяется. Если при этом осуществить дальнейшее повышение приложенного напряжения, плотность тока в катодном пятне начнет возрастать, но так, что увеличение общего тока через зазор будет происходить медленнее, чем рост напряжения. Соответствующая описываемому состоянию область EF называется областью аномального тлеющего разряда. По достижении точки F катодное свечение снова концентрируется на небольшом участке катода (катодное пятно) и разряд превращается в искровой (переходная область на участке FG).
Появление этой формы разряда свидетельствует о том, что прогрессивное увеличение проводимости среды закончилось нарушением ее электрической прочности. В результате скачкообразно снижается напряжение на электродах (точка G) и происходит резкий бросок тока. Дальнейшие процессы в системе определяются мощностью питающего источника. Если его мощность невелика, описанный цикл разрядов будет ритмично повторяться и в цепи будет происходить импульсная передача энергии. При достаточной мощности питающего источника скорость ритма значительно возрастает, отдельные импульсы сливаются в один непрерывный и бомбардировка катода положительными ионами становится столь интенсивной, что он раскаляется и начинает сам эмигрировать электроны. В результате разряд превращается в дуговой (область I—G—Н), характеризующийся весьма низкой величиной катодного падения напряжения (10—20 В).
Все изложенное о механизме прохождения носителей тока через воздушный зазор базировалось на классических представлениях теории газового разряда. В самое последнее время появились исследования, ставящие себе целью учесть влияние на процесс искрообразования ряда параметров коллекторных электрических машин, на которых используется скользящий контакт. Так, например, в [Л. 2-2] рассмотрены явления коммутационного искрения с учетом плотности тока в сбегающем и набегающем краях электрощетки, удельного давления на нее, индуктивного, емкостного и омического сопротивлений обмоток якоря и некоторых других факторов.
Помимо описанных явлений, связанных с прохождением тока через скользящий контакт, большое значение для его нормальной работы имеют происходящие в нем процессы химического взаимодействия, трения и износа. Взаимодействующими компонентами при химических реакциях являются материал коллектора, материал электрощеток и вещества, входящие в состав окружающей среды. Факторами, направляющими и интенсифицирующими химические реакции, являются температура и электрический ток, протекающий через контакт. Состав окружающей среды, в случае если контакт работает в атмосфере обычного воздуха, приведен в табл. 2-1. Кроме перечисленных элементов в воздухе находится еще йод, перекись водорода, частицы пыли и водяной пар.
Таблица 2-1
Состав абсолютно сухого воздуха у поверхности земли
Примечание. Состав воздуха в пределах тропосферы, т. е. до высот порядка 11—12 км, остается практически постоянным.
Таблица 2-2
Свойства воздуха при атмосферном давлении
Количество последнего в зависимости от температуры и давления колеблется в весьма широких пределах (табл. 2-2). Сведения табл. 2-1 и 2-2 характеризовали состояние атмосферы у поверхности Земли. В связи с развитием реактивной авиации и освоением космического пространства деталям электрического скользящего контакта приходится работать в так называемых высотных условиях, где термодинамические параметры и физические характеристики атмосферы существенно изменяются (ГОСТ 4401-61). Соответственно изменяется содержание в атмосфере водяных паров и вместе с этим изменяются условия работы контакта. В случае использования контакта в нормальной, содержащей водяные пары атмосфере, влага под влиянием тока электролитически разлагается. Образующиеся при этом катионы Н2 и анионы О под действием электрического поля перемещаются соответственно к катоду и аноду. Последнее означает, что в зоне контакта под анодно-поляризованной электрощеткой на ее рабочей поверхности отлагается кислород, а на медной поверхности коллектора — водород. В зоне контакта катодно-поляризованной электрощетки картина изменяется. Здесь к ее контактной поверхности поступают катионы водорода, а к коллектору— отрицательно заряженные атомы кислорода. Описанные явления определяют принципиальные различия процессов, происходящих в рабочей зоне контактирующих элементов различной полярности. Очевидно, что участок поверхности коллектора, выходящий из-под электрощетки-катода, подвергается интенсивному окислению (темнеет). Попав под электрощетку-анод этот участок коллектора химически восстанавливается (светлеет).
Из двух перечисленных процессов преобладающим является окислительный, поскольку он происходит не только в периоды пребывания участка коллектора под катодно-поляризованной электрощеткой, но и тогда, когда этот участок перемещается между двумя последовательно установленными над ним электрощетками. Кроме того, разогретая поверхность работающего коллектора поглощает также кислород из атмосферы. Кислород диффундирует сквозь слои Сu2О и производит дальнейшее окисление меди.
Процесс окисления меди находится в динамическом равновесии с процессом истирания наружной части слоя Сu2О, в результате чего поверхность скольжения коллектора покрывается окисной пленкой. Эта пленка является только одной из компонент политуры. Другой ее компонентой являются частицы, поступающие в зону кон такта извне. Происхождение поступающих частиц раз лично.
Одна их часть является продуктами механического износа контактирующих элементов; другая часть — продуктами их электроэрозии; третья привносится из окружающей среды. Сочетание указанных продуктов с окисной пленкой образует на рабочей поверхности коллектора политуру, цвет и состояние которой определяются большим числом различных обстоятельств. В числе последних находятся: род материалов, использованных для изготовления контактирующих элементов, электрические и механические режимы их эксплуатации, полярность, состав и влажность окружающей среды, температура в зоне контакта и многое другое. В зависимости от сочетания перечисленных обстоятельств поверхность скольжения приобретает различное состояние и разнообразную окраску. Особенно рельефно перечисленные взаимодействия наблюдаются при работе на контактных кольцах, когда электрощетки различной полярности расположены на отдельных следах. Так, например, если электрощетки из «черных» материалов работают в нормальной атмосфере на медных контактных кольцах, то кольцо, находящееся под анодно-поляризованной электрощеткой, остается гладким и покрывается частицами электрощеточного материала. Кольцо, расположенное под электрощеткой противоположной полярности, таких частиц на себе не имеет. Его рабочая поверхность становится матовой и шероховатой. Все это происходит потому, что под электрощеткой-анодом поверхность кольца химически восстанавливается и на нее переносятся частицы электроугольного материала. Под электрощеткой-катодом поверхность кольца окисляется и отделяющиеся от него частицы металла, внедряясь в контактную поверхность электрощетки или оставаясь в контактном зазоре, играют роль абразива. Если вместо электрощеток «черных» материалов установить «цветные», то в зоне контакта анодно-поляризованной электрощетки также появятся металлические частицы. В последнем случае создадутся условия для образования шероховатостей кольца и под электрощеткой этой полярности.
Только что описанные процессы образования политуры справедливы для случая нормальной работы скользящего контакта в обычной атмосфере. При нарушении указанного условия описанные процессы образования политуры изменяются и могут пойти по направлению, которое существенно изменит режим работы контакта. Так, например, если прохождение носителей тока через контакт будет сопровождаться интенсивными искрообразованием, то испарение влаги прекратит ее электролиз. В результате состояния политуры изменится и вместе с этим изменятся электрические и механические параметры скользящего контакта. Аналогичные явления возникают при появлении в окружающей атмосфере некоторых газообразных соединений. Если, например, в ней появится сероводород, то в составе политуры окажется сернистая медь. Благодаря большей толщине и более прочной связи с материалом медного коллектора такая политура совершенно нарушает работу контакта, хотя электропроводность сернистой меди более высока, чем у Сu2О. В [Л. 2-3] описан случай, когда в прядильном цехе одной из фабрик искусственного шелка при выделении большого количества влажного сероводорода электрические машины с медными коллекторами работать не могли. Выход был найден в применении коллекторов из железа, которое по отношению к сероводороду является вполне инертным. Появление в окружающей атмосфере хлора приводит к разрушению политуры. Соединяясь с влагой, хлор образует соляную кислоту, которая счищает как слои Сu2О, так и слои отложившегося над ней материала электрощеток. При этом на контактной поверхности катодно-поляризованной электрощетки отлагаются частицы меди, а на коллекторе — значительное количество грязи. Аналогичным образом проявляет себя и аммиак.
Приведенные примеры иллюстрировали влияние на процесс образования политуры только некоторых факторов. Другие упомянутые ранее факторы, влияющие на рассматриваемый процесс, также оказывают влияние как на конечное состояние, так и на все другие явления, протекающие в скользящем контакте.
