這個問題看似簡單,但它的內涵卻很深。我們來探討一番。
首先,要了解插頭是什麼?插頭,在電氣技術中叫做接插件,它是機械與電氣的聯合體,起到連接線路的作用。例如我們的 USB 插頭、以太網 RJ45 插頭、插線板插頭,還有供配電斷路器的大電流接插件、高壓開關的手車接插件和低壓開關櫃的抽屜接插件等等。
由於接插件所連接的雙方並不一定是同一類用電電器,接插件必須滿足標準的外在結構規範,以及電氣特性參數和規約。因此,接插件屬於電氣技術中的標準件。
我們先看第一個問題:接插件的材料的電阻率
下圖是常用導電材料的電阻率:
接插件的材料一般採用銅基合金。例如純銅、黃銅、鈹青銅等等。材料的表面鍍銀或者鍍錫,甚至鍍金。
看下圖中 CPU 背面的插針,它是鍍金的嗎?
從電阻率表中我們看到,導電性最好的是銀,其次是銅,再其次是錫。
事實上,接插件是需要一定強度的。而錫和銀很軟,根本就沒法滿足接插件的插接強度。所以,接插件的本體都是銅,表面鍍錫或者鍍銀而已。
第二個問題:接插件鍍錫鍍銀真的僅僅只是為了提高導電性嗎?
當導電材料流過電流後,只要電流的頻率不太高,則電流是流過導電材料的整個截面的。即使當頻率很高時,材料的趨膚效應也有一定的穿透深度。例如銅在 50 赫茲下的穿透深度是 9.3 毫米。
接插件一般都十分纖細,趨膚效應不是很大,因此電流會流過接插件的整個截面。
我們看下圖:
此圖中有兩種接線端子實物圖片,圖中上部是彈簧接線端子,圖中下部是螺釘接線端子。右圖是彈簧接線端子的結構示意圖。
從圖中我們能明白,插頭插入插座後,接觸簧片與插頭之間是需要有接觸壓力的,否則就無法實現可靠的接觸。對於螺釘接線端子,接觸壓力來自於螺釘;對於彈簧接線端子,接觸壓力來自於彈簧。
我們還知道,接插件在工作時,是會產生温升的。温升包括兩部分,第一部分是導線温升,第二部分是接觸温升。温升的表達式如下:
在這裏, τ 是温升,I 是流過導體的電流,Kt 是綜合散熱係數,S 是導體截面積,M 是導體截面周長, ρ是導體的電阻率,Uj 是接觸電壓,L 是洛淪茲係數,T 是接觸點的温度(單位是 K)。
我們看到,接插件的温升近似與所流過的電流的平方成正比,與接觸電壓的平方也近似成正比,並且注意到接觸電壓 Uj 等於接觸電阻與電流的乘積。
由此可見,接插件的接觸電阻是多麼重要。
在 GB14048.5-2008《低壓開關設備和控制設備 第 5 部分:控制電路電器和開關元件機電式控制電路電器》中,把用於控制的線路定義為輔助迴路,而輔助迴路的電流一般在 5A 以下。
由此可知,接插件其實分為兩種,第一種是 5A 以下小電流的接插件,第二種是 5A 以上的大電流接插件。大電流接插件的電流一般從 10A 到 6300A,例如低壓抽屜式斷路器(見前面一張圖中的 Emax 斷路器)的一次迴路接插件電流規格就從 1250A 到 6300A。
對於小電流接插件,它的温升不高,它的重點是提高導電性,降低接觸電阻。因此,小電流接插件的插頭組件和接觸簧片組件鍍銀的目的就是提高接插件的導電性;
對於大電流接插件,它的温升很高,它的重點是降低温升。因此,大電流接插件的插頭組件和接觸簧片組件鍍錫或者鍍銀的目的就是提高接插件的温升。
對於大電流接插件,標準中規定,裸銅材料的温升是 60K,鍍錫材料的温升是 65K,鍍銀材料的温升是 70K,具體見 GB14048.1-2012《低壓開關設備和控制設備 第 1 部分:總則》的附表。
現在,我們分析題主的問題:
題主問題的註解是:眾所周知銅的導電性比銀好,為何所有插頭上的鐵片不使用銅而使用銀?
第一,關於接插件中的鐵片。
看得出來,題主對於工業產品十分陌生,他以為帶有彈性的材料就一定是鐵片。其實鈹青銅的導電性和彈性都遠遠優於鐵片,而黃銅的彈性也很不錯,所以接插件中的彈性材料往往不是鐵片,而鈹青銅和黃銅。
第二,關於接插件類型。
題主顯然討論的是小電流接插件。那麼結論是,鍍銀的目的是提高導電性,具體見前面的敍述。
另外題主有一個誤區,他以為銅的導電性優於銀。結論剛好相反,具體見前面的電阻率表。
最後的結論是什麼?
結論是:電接觸其實是有很深的理論的。它涉及到材料、電化學、電氣接觸和温升理論、發熱理論等等。其內容博大精深,涵蓋了眾多基礎理論和工程實踐。因此,有關電接觸的表述絕不是這個蜻蜓點水帖子能夠説明清楚的。
有關電器的理論有五個,分別是發熱理論、電動力理論、電接觸理論、電弧理論和電磁系統理論。電接觸理論是這五大理論之一。
在國際上有電接觸學會,它以電接觸的構建者霍姆命名。我國也有相關的學會。
題主的疑問到此應當解答完畢了。但我同時給大家提一些問題:
第一個問題:如果接插件的插頭材料是銅鍍錫,接插件的插座接觸簧片材料是銅鍍銀,兩者可否長期帶電工作?會出現何種現象?如何解決?
第二個問題:為何大電流接插件有温升問題?它和接插件材料的機械強度有何關係?如何解決這個問題?
看到評論區的評論了,大家都根據自己的理解給出瞭解釋。已經到了午休時刻,我來解答吧。
第一個問題的解答:
這個問題的解答與化學有關。
我們看下圖:
上圖(圖 1)中,三種基底金屬分別是錫、銅和銀。三種金屬被各自氧化,生成的氧化物分別是:
(氧化錫)、
(氧化銅)和
氧化銀。
由於空氣中難免有水份,於是在水汽的沾染下,出現金屬的正離子。金屬正離子與金屬本體之間的電極電位如下:
我們看到各種不同金屬的電極電位分別是:
;
;
。
為何銀的電極電位不是 -0.15224V,而是 0.7999V?自己想去(上圖中的數據是碘化銀)。
我們看到,錫的電極電位最低,銀的電極電位最高。由此得知,按金屬活動順序表,錫在銅的左邊,因此錫比銅活潑;銀在銅的右邊,因此銅比銀活潑。
於是,銅鍍錫後,若鍍層不完整,或者鍍層有破口,則錫向銅轉移電子,錫被氧化,而銅被還原;同理,銅鍍銀後,若鍍層不完整,或者鍍層有破口,則銅向銀轉移電子,銅被氧化,而銀被還原。可見,前者是錫被腐蝕,後者是銅被腐蝕。
如果接插件的插頭材料是銅鍍錫,接插件的插座接觸簧片材料是銅鍍銀,則可以想見,錫首先被腐蝕,接着銅被腐蝕。隨着腐蝕加劇,接觸越來越差。嚴重時插頭材料的基底金屬銅會因鏽蝕而無法工作,甚至斷裂。
看到評論區有評論説,氧化銀也會導電。事實上,在這裏根本就沒有氧化銀,只有氧化錫和氧化銅。銀已經被還原為金屬銀了。
這裏講述的原理是氧化還原反應,是中學化學的必學內容。
由此我們得到一個重要結論:不管是插頭還是插座,它們的導電材料的表面處理方式應當是一致的:要麼都鍍錫,要麼都鍍銀。若採用不同的表面處理方式,出現的電化學反應有可能會腐蝕導電材料。
第二個問題的解答:
這個問題與金屬材料的機械強度隨着温度升高而降低有關。
我們來看下圖:
就像我在圖中註釋所説的,銅在連續發熱時,才一百多攝氏度銅的機械特性就開始下降了。
此圖摘自《金屬材料手冊》。
也因此,接插件中非常注意它的工作温度和温升。國家的強制性標準和規範規定,接插件和端子的運行温升絕對不能超過它規定值。
注意曲線 2,它表徵的是銅在受到短路電流瞬時衝擊時瞬間發熱機械強度下降情況,可見它的機械強度下降程度比運行下要稍微好一些。
我注意到若干評論中談到了觸頭的接觸問題,並且與接插件相混淆。我把這個問題給澄清一下。我們看下圖:
我們先看下圖:從圖中我們看到,觸頭系統的温升由 3 部分構成。第一部分是靜觸頭的導電杆部分,也即温升τ1;第二部分是導電杆與觸頭的連接部分,或者焊接部分,這裏的温升是τ2;第三部分是動靜觸頭相接部分的温升,也即τ3。
再看上圖,我們看到了插頭的温升τ1,看到了插頭與插座之間的温升τ3,但沒有τ2。
值得注意的是,對於接插件,插頭與插座彈性簧片之間的接觸點不止一個,因此有多個τ3 共同貢獻温升。
我們來看計算τ1 的公式:
; 再看計算τ2 的公式:
; 我們再看τ3 的公式:
我們不妨通過計算來看看接插件温升與大電流觸頭温升有何區別:
我們假設兩者的環境温度都是 30 度,綜合散熱係數都是 7。插頭導電杆的橫截面積是 1 平方毫米,截面周長是 3.54 毫米,假定電流是 1A,接觸電壓為 10 毫伏,LT 是 8.2X10^(-6);觸頭的鍍錫導電杆的橫截面積是 30X10=300 平方毫米,截面周長是 80 毫米,電流是 630A,接觸電壓亦為 10 毫伏,LT 也是 8.2X10^(-6)。我們用相同的方法來計算兩者的最高温升,儘管接插件其實無需計算中間的温升。
先計算接插件:
也就是説,插頭和插座組合的最高温升為 4.14K。我們已經知道環境温度為 30 度,則接插件組合內部的最高温度為 30+4.14=34.14 度。
需要説明的是:接插件的接觸點不止一個,因此每一個具體的接觸點的電流更小,温升也更低。但為了陳述方便起見,此處姑且認為只有一個接觸點。
我們看到,接插件組合的温升並不高,更何況考慮到多點接觸後温升更低。
再看大電流觸頭温升:
我們看到,動靜觸頭結合處的温升是 68.7K。
我們來計算各處的温度:已知環境温度是 30 度,導電杆的温度是 30+54.3=84.3 度,觸頭與導電杆連接處的温度是 30+67.2=97.2 度,而觸頭相接處的温度為 30+68.7=98.7 度。
由 GB14048.1-2012《低壓開關設備和控制設備 第 1 部分:總則》的規定,開關電器的環境温度為 40 度時,鍍錫導電杆最高温升不得超過 65K。顯見,上述導電杆温升僅為 54.3K,完全滿足要求。
從這裏我們看到,原來導電杆的鍍錫與鍍銀僅僅只影響到它為温升限制值而已,不會對導電能力做出任何貢獻。
同時我們也看到,温升的主體是導電杆。也因此,在 GB14048.1-2012 中把導電杆也即開關電器的接線端子的温升作為開關電器的温升限制值。顯然,這樣規定後既便於測量又便於設計控制,是十分合理的。
通過對比計算,我們看到了小電流接插件與大電流接插件的根本不同之處:前者鍍錫或者鍍銀用於提高導電能力,而後者則用於提高温升。
題主主題的疑問到此全部詮釋完畢。
這個帖子寫得太長了,也仰仗於我恰好沒什麼事。
不過,若知友們能真正理解其中的知識點,我會感到十分欣慰。
考慮到讀我的回答貼的知友大多是大學生,或者新入職的電氣工作者,請大家注意這個帖子給我們的提示:我們的知識結構應當是全面的,並且要靈活地掌握所學知識。