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電接觸及其學(xué)科的研究?jī)?nèi)容和意義
電接觸是指兩個(gè)導(dǎo)體之間相互接觸并通過接觸界面實(shí)現(xiàn)電流傳遞或信號(hào)傳輸?shù)囊环N物理、化學(xué)現(xiàn)象。電接觸現(xiàn)象廣泛存在于電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等各類民用、國(guó)防領(lǐng)域的工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中，涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防安全建設(shè)的方方面面［1��4］。
根據(jù)接觸的狀態(tài)及行為表現(xiàn)，電接觸可分為固定電接觸、滑動(dòng)或滾動(dòng)電接觸以及可分離電接觸。具體的，如果電接觸是依靠?jī)蓚�(gè)導(dǎo)體固定接觸而維持，在正常工作過程中導(dǎo)體之間不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，例如各種固定的電連接器以及電纜或母排的連接等應(yīng)用，稱為固定電接觸；如果電接觸依靠?jī)蓚�(gè)導(dǎo)體通過滑動(dòng)接觸或者滾動(dòng)接觸而維持，例如集電環(huán)、導(dǎo)電刷、電動(dòng)機(jī)車的受電弓與饋電線、滾動(dòng)導(dǎo)電環(huán)等，稱為滑動(dòng)或滾動(dòng)電接觸；如果在正常工作中，兩個(gè)導(dǎo)體會(huì)出現(xiàn)接觸和分離兩種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電接觸的產(chǎn)生和消除，導(dǎo)致兩導(dǎo)體所處電路的電流接通或分?jǐn)�，則稱為可分離電接觸。最常見的應(yīng)用是電力系統(tǒng)中大量使用的各類開關(guān)電器中的觸頭，承擔(dān)了執(zhí)行接通和切斷各種電路、承載正常的額定工作電流的職能，屬于典型的可分離電接觸，在帶電分?jǐn)嗟那闆r下還會(huì)產(chǎn)生非常重要的電弧放電現(xiàn)象［5��10］。
在上述各類電接觸中，傳遞電流或輸送信號(hào)的兩導(dǎo)體稱為觸頭、觸點(diǎn)或電極，根據(jù)電流方向，又可以定義電接觸的陽(yáng)極和陰極，電流從陽(yáng)極通過電接觸流入陰極。如果是在交流情況下，電接觸的陽(yáng)極和陰極則隨電流方向交替變化。
開關(guān)和電連接器等電接觸器件通常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的連接與保護(hù)，往往是整個(gè)系統(tǒng)能量與信息傳輸?shù)陌踩�保障和咽喉環(huán)節(jié)。例如，配電電器的分?jǐn)嗄芰Α⒖刂齐娖鞯墓ぷ鲏勖�、繼電器的可靠性，無(wú)不取決于觸頭的工作性能和質(zhì)量，其關(guān)系到系統(tǒng)的安全運(yùn)行［11��19］。特別是近年來(lái)，隨著能源、信息等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，各種新的應(yīng)用場(chǎng)景層出不窮，對(duì)相關(guān)器件的電接觸的通流性能、開斷性能和運(yùn)行壽命等提出了非�？量痰囊�求，因此相關(guān)的研究工作非常重要。
電接觸的產(chǎn)生、維持和消除過程又是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，涉及電氣、機(jī)械、材料等多個(gè)方面的交叉融合。尤其是可分離電接觸，由于在兩導(dǎo)體間，依據(jù)不同的電氣條件，常常發(fā)生不同形式的氣體放電，因而問題變得更加復(fù)雜多變［20��30］。在兩導(dǎo)體的接觸界面或?qū)�體與等離子體界面發(fā)生的過程是電、磁、熱、力及材料冶金效應(yīng)相互作用的綜合結(jié)果。電接觸理論正是研究電接觸產(chǎn)生、維持和消除過程當(dāng)中，兩導(dǎo)體接觸界面或?qū)�體與等離子體界面發(fā)生的物理、化學(xué)過程的學(xué)科。這一學(xué)科涉及電弧物理、電磁場(chǎng)理論、計(jì)算機(jī)仿真、微觀測(cè)試技術(shù)、電磁機(jī)構(gòu)、電工材料與制造等，其研究的最終目的是在滿足一定的經(jīng)濟(jì)效益前提下，提高電接觸的工作可靠性和工作壽命。
電接觸理論研究及應(yīng)用的主要內(nèi)容包括：
（1）電接觸現(xiàn)象的基礎(chǔ)理論研究
主要研究電接觸的產(chǎn)生、維持和消除過程中的一些物理、化學(xué)現(xiàn)象。如電接觸維持狀態(tài)下接觸電阻尤其是表面膜電阻部分的增值機(jī)理，以及由于接觸電阻引起的溫升現(xiàn)象甚至熔焊，電接觸產(chǎn)生和消除過程中出現(xiàn)的觸頭材料侵蝕和轉(zhuǎn)移等。
（2）電接觸材料
不同的電接觸形式，或不同的電氣、機(jī)械工作條件，對(duì)電接觸材料的要求各有側(cè)重。因而在節(jié)省貴金屬的前提下，研制開發(fā)適合相應(yīng)要求的電接觸材料一直是電接觸理論和應(yīng)用研究中的重要方面。新型電接觸材料的開發(fā)，必須以電接觸現(xiàn)象的理論研究為基礎(chǔ)，主要從材料的組成和制造工藝兩方面改善電接觸材料的性能。
（3）電接觸試驗(yàn)和診斷技術(shù)
電接觸診斷技術(shù)是開展電接觸試驗(yàn)研究的重要手段。電接觸產(chǎn)生、維持和消除過程中發(fā)生的全部現(xiàn)象的觀察、測(cè)試都需要借助和開發(fā)先進(jìn)的診斷技術(shù)。例如，接觸電阻和導(dǎo)電斑點(diǎn)區(qū)域溫升的測(cè)試技術(shù)，電極間電弧特性的測(cè)試技術(shù)，觸頭材料侵蝕和轉(zhuǎn)移的原位測(cè)試以及定量分析，電接觸材料接觸表面形貌特征及電接觸材料組織和成分的測(cè)試技術(shù)等。
（4）電接觸現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型化研究
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的普及和發(fā)展，許多復(fù)雜的物理、化學(xué)過程得以采用計(jì)算機(jī)模擬或仿真［31��40］�？茖W(xué)的發(fā)展總是要由試驗(yàn)研究逐步發(fā)展到數(shù)學(xué)模型化階段，對(duì)基本物理過程形成更加深入的認(rèn)識(shí)，之后再利用數(shù)學(xué)模型和仿真方法對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用形成科學(xué)的指導(dǎo)。因此，試驗(yàn)測(cè)試是數(shù)學(xué)模型化的基礎(chǔ)，二者相輔相成互為促進(jìn)。特別是在現(xiàn)代工程技術(shù)中，許多無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試或因費(fèi)用太高而難以進(jìn)行測(cè)試的物理現(xiàn)象，常采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬整個(gè)過程，以獲得對(duì)過程特性的了解和掌握。近年來(lái)，電接觸理論及其應(yīng)用研究在數(shù)學(xué)模型化方面也取得了引人矚目的進(jìn)展。尤其是在由接觸電阻的微觀描述，電弧引起的電觸頭材料燒蝕過程的數(shù)學(xué)模型化方面已取得不少成績(jī)。盡管如此，在數(shù)學(xué)模型化這一領(lǐng)域仍有許多尚待研究和解決的問題。
2�彪娊佑|學(xué)科的形成和發(fā)展
電接觸現(xiàn)象很早就受到關(guān)注，幾乎與電工學(xué)同時(shí)起步。世界上最早關(guān)心電接觸問題的是英國(guó)的Johnson Matthey Company。19世紀(jì)50年代，由于在電信用途中繼電器的使用，研究人員選用金屬鉑用作繼電器的觸點(diǎn)，標(biāo)志著關(guān)于電接觸現(xiàn)象研究的開始。
1941年，R. Holm出版了電接觸學(xué)科的第一部著作［2］《電接觸技術(shù)物