Kontaktwiderstand

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

Engewiderstand

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 (in Siemens) des Kontaktes ergibt die vereinfachte Theorie: $\Lambda \approx\frac{3.7}{E^{*} \cdot \rho \cdot l} \cdot F_N$

mit effektivem Elastizitätsmodul $E^*=\frac{E}{1-\nu^2}$, dem Elastizitätsmodul E, Poissonzahl $\nu \approx \frac{1}{3}$ bei metallischen Werkstoffen, ρ dem spezifischen elektrischen Widerstand des Kontaktmaterials, l dem quadratischen Mittelwert der Höhenverteilung (Rauigkeit) 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 $\Lambda_{max} \approx\ D/\rho$.

Beispiel: Kontaktwiderstand von 2 ebenen Kupferscheiben mit D=1 mm, die mit der Kraft 2.7 Newton aneinander gepresst werden. Für Kupfer ist (bei Raumtemperatur) $\rho\approx1.8\cdot10^{-8}\ \Omega m,\ E^*\approx 5.6\cdot10^{11}\ Pa$ und damit $R=\frac{1}{\Lambda}=0.1 m\Omega.$ Die Sättigungskraft ergibt sich zu 56 kN.

Fremdschichtwiderstand

Durch Oxidation oder Korrosion entsteht auf der Kontaktoberfläche eine Fremdschicht, die den Widerstand erhöht. Um dies zu vermeiden, werden vor allem bei kleinen zu schaltenden Leistungen (z.B. in Relais oder bei Lautsprecheranschlüssen) Edelmetalle wie Gold, Silber, Palladium oder Platin verwendet. 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 baut sich beim Schalten von hohen Leistungen nur kurz auf, da die Fremdschicht beim Schalten durchschlagen wird. Diesen Effekt nennt man Frittung, die dazu benötigte Spannung Frittspannung.

Um den Kontaktwiderstand bei Klemmkontakten zu verringern, können oder müssen Fremdschichten vor dem Anschluss beseitigt werden. Bekannt dafür ist insbesondere Aluminium, welches auch 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 aus diesem Grund und weiterhin deshalb nicht mehr eingesetzt, 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

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

• Vermeidung von Korrosion (Edelmetalle, Fett)
• großer Kontaktdruck (z.B. Klemmen, Federzug-Klemmen)
• Gegeneinander-Bewegen (Schleifkontakt, Stufenschalter, Potentiometer)

Die beiden — bei Kontakten lästigen — Effekte werden u. a. beim Kohlemikrofon ausgenutzt, um mechanische Bewegung (Schallwellen) in ein elektrisches Signal zu wandeln. Auch fußbediente Anlasswiderstände an älteren Nähmaschinen nutzten diesen Effekt - sie bestanden aus einem dem Pedaldruck ausgesetzten Stapel aus Graphit-Scheiben.

Beim Fritter ist der Übergangswiderstand dagegen durch den Einfluss von Hochfrequenz amplitudenabhängig und wurde zum Empfang amplitudenmodulierter Funksignale verwendet.

Literatur

• Ragner 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.

Siehe auch

Übergangswiderstand