СЕЛФ

36

и С.Б. Каравашкин

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование многократного образования и разрыва металлических мостиков в размыкающемся контактном промежутке

Рассмотрим, какие примерно сопротивления могут иметь металлические мостики. Для их определения воспользуемся осциллограммами Миллса (рис. 1), поскольку на них (в отличие от полученных нами) отражена важная зависимость процесса от скорости расхождения контактов. Будем считать, что максимальные длины мостиков соответствуют длительностям неустойчивых разрядов. Согласно осциллограммам, при скоростях расхождения контактов 16,8; 42,1 и 66,7 см/с длительности неустойчивых разрядов равны соответственно 240, 150 и 120 мкс. При таких данных максимальные длины мостиков равны 40,32; 63,15 и 80,04 мкм.

Диаметр мостика мы можем оценить по таблице [31] отношений диаметров первых мостиков d_m к коммутируемым токам  I_k. Для меди, серебра и золота эти отношения близки и можно принять

Осциллограммы Миллса были получены при токе 0,07 А; в таком случае диаметр мостика составляет 1,4 мкм. Формула (13) разработана для первых мостиков. Диаметры последующих мостиков, вероятно, будут намного меньше, поскольку, скорее всего, они не вытягиваются из расплава, как первые мостики, а образуются иным путем.

Удельное сопротивление жидких металлов в справочниках не найдено. Поэтому для приближенных расчетов воспользуемся формулой для определения удельного сопротивления серебра в зависимости от температуры [32]:

где _k = 1,47810^-6 Омсм ; 4110^-4град^-1; T = 2160 ^oC;  T_k = 0. Рассчитанное по этой формуле _Ag = 410^-7Омм, что на порядок выше, чем при нормальной температуре. Формула (14) справедлива для низких температур. Температурный коэффициент у жидких металлов, видимо, будет значительно больше. Кроме того, мостики образуются из окисленных поверхностных слоев металла, удельное сопротивление которого может быть значительно выше, чем у чистого металла. Следовательно, можно предположить, что удельное сопротивление металлов мостиков намного выше, чем рассчитанное по формуле (14).

На основании полученных выше данных мы можем оценить сопротивление мостиков, считая их цилиндрическими. Для приведенных выше значений длин в 40,32; 63,15 и 80,04 мкм, сопротивления мостиков составляют соответственно 11, 17 и 22 Ома. Эти величины сопротивлений можно, видимо, принять за их нижние пределы. Сравнение их с условием (10) показывает при значениях индуктивности и паразитной ёмкости, использовавшейся в наших экспериментах, как и для величин параметров исследовательской схемы Миллса, что полученные значения сопротивлений соответствуют монотонному процессу заряда паразитной емкости. Таким образом, проведенные оценочные расчёты дополнительно подтверждают возможность образования мостиков как причины перехода от колебательного процесса к монотонному.

В целях экспериментальной проверки идеи о существовании металлических мостиков между контактами во время монотонного заряда паразитных емкостей, были проведены осциллографические исследования предполагаемых моментов их образования и разрушения. Эти исследования должны были подтвердить следующие предположения.

Если переход от монотонного процесса изменения напряжения к колебательному и обратно обусловлен образованием и разрывом металлических мостиков, то эти разрывы происходят в областях перехода напряжения с экспоненциальных участков на скачкообразные, а образование их - наоборот, со скачкообразных на экспоненциальные. Следовательно, моменты образования и разрывов мостиков концентрируются вблизи скачков напряжений. Поскольку колебательный процесс в цепи не может резко прекратиться с изменением шунтирования паразитной ёмкости, разрывы и образование мостиков должны приводить к определенным изменениям сопротивления контактного промежутка, которые не могут не отразиться на характере переходного напряжения, и при достаточно большом разрешении областей скачков напряжений эти изменения должны быть видны.

Указанные нюансы естественно не были видны на ранее представленных общих осциллограммах неустойчивых разрядов, поскольку на них области скачков напряжений настолько сжаты во времени и по амплитуде, что невозможно провести их детальное исследование. Опыты показали, что скачки напряжений длятся меньше 1 мкс, поэтому их исследования необходимо было проводить при скоростях развертки луча осциллографа не ниже 1- 2 мкс/см. При такой развертке с учётом случайного во времени характера образования и разрушения мостиков, фиксация областей перехода между релаксационным характером процесса к монотонному стала возможной только в результате применения регулируемой задержки времени и при длительных сериях экспериментов.

Прежде чем представить результаты экспериментов, рассмотрим более детально условия, которые могут привести к разрушению металлического мостика. В зависимости от величины коммутируемого тока и скорости расхождения контактов, на мостик будут действовать два фактора: джоулево тепло, выделяемое в нем вследствие протекания тока, и механическое удлинение и утонение, обусловленное расхождением контактов.

Первый фактор имеет доминирующее значение при больших коммутирующих токах, когда мостик взрывается в точке кипения. На месте его образуется облако паров металла. Развитие этого облака [33] происходит волнообразно, то есть плотность облака некоторое время периодически меняется, пока не произойдет его рассеяние. В пределах этого времени сопротивление облака также будет колебаться, постепенно возрастая до бесконечности.

При малых коммутируемых токах может происходить "холодный" разрыв мостика, потому что джоулева тепла недостаточно для его взрыва. При этом доминирующее влияние на разрыв мостика оказывают механические усилия. В первый момент разрыва мостика образуются две близлежащие иглообразные поверхности. На каждую их них действуют силы электростатического притяжения, сближающие поверхности, и силы поверхностного натяжения, удаляющие их друг от друга. Под действием этих сил поверхности то соединяются, то вновь разъединяются. Это вызывает появление неустойчивого состояния мостика и определяет волнообразное изменение его сопротивления.

Следовательно, независимо от способа разрыва мостика, на размыкающихся контактах должны возникнуть колебания напряжения, соответствующие изменениям его сопротивления в предразрывный период. Эти колебания действительно были зафиксированы. Типичная осциллограмма представлена на рис. 20.

Рис. 20. Осциллограмма, фиксирующая колебательные процессы на конце монотонного участка ливневой дуги

Как мы видим, этот колебательный процесс незначителен по величине и длительности, тем не менее он вполне характерен и наблюдается на всех осциллограммах, снятых при высокой скорости развёртки осциллографа. В том числе они видны и на рис. 14 б.