长期通电的金属是否会产生什么变化？ 第1页

很有意思的问题。

首先讲答案：长期通电的金属一定会发生变化，这也是电气工作者们重点研究的内容问题之一。

事实上，对这个问题的深入研究，涉及到金属材料的特性、电接触理论等等，其知识面的广度和深度，都可以用博大精深来形容。

我们都知道，当电流流过导体材料后，它会发热，材料的表面会发生氧化。如果环境中水汽较大，则情况会更加突出。

对于同一种金属材料，氧化后会减小导体的载流截面积，而截面积减小意味着导体的发热更加严重，这又更加加剧了氧化进程。到了最后，导体导体材料就不能继续使用了，必须更换。

对于不同的金属材料，它们存在电接触的关系。长期通电后会发生如下现象：

1）金属材料自身存在氧化。于是不同金属氧化物之间会出现电化学反应

我们在插座中经常看见铜与镀锡铜的接触，其实就是铜与锡的电接触。当铜与锡分别氧化后，它们会形成 和 两种氧化物。查阅氧化还原反应的金属电极电位表后得知，铜的电极电位是0.3419V，锡的电极电位是0.151V，铜的电极电位大于锡的电极电位，两者构成了原电池。注意哦，对于电池来说，外电路的电流从正极流往负极，而电子流则从负极流往正极。在水汽的参于下，铜得到电子被还原，而锡失去电子被持续氧化，结果使得镀锡铜的锡层被严重腐蚀，它的接触越来越差，有效导电截面越来越窄，接触电阻升高，接触处的温升也越来越高，直到最后出现材料烧蚀电接触瓦解为止。

事实上，这是插头插座烧毁的主要原因之一。

2）金属材料的电接触处会形成表面膜，使得接触电阻加大

金属材料在电接触处的膜叫做表面膜，它包括四种膜，分别是尘埃膜、吸附膜、无机膜和有机膜。

尘埃膜的厚度一般在2到2-微米，容易脱落，只要加大接触压力，可以消除掉它的影响。因此，对于插座插头系统，要经常拔插来消除尘埃膜；对于工业的电接触系统，则要定期停电检修清扫尘埃膜。

吸附膜的厚度为几个分子层，也可以用机械方法消除掉。另外，吸附膜主要靠隧道效应导电。

无机膜与前述电化学反应有关，它们的特点是电阻率很高，是影响电接触的最主要原因。

有机膜的来源主要是绝缘材料析出的有机蒸汽，它自然沉积在电接触的表面而形成的。

表面膜对电接触影响很大，一定要定期检修清除。

我们知道，电器在工作时它的温升会逐渐上升，直到趋于恒定。如果电器的工作时间长于温升稳定时间，则称此电器工作在长期工作制下。

电器在长期工作制下，题主的问题会以各种形式出现。

例如在许多场合大家都喜欢用4极的断路器，也即三条相线和一条N线都由断路器来控制。但我们知道N线的电流很小，于是当使用时间久了，断路器三条相线的电接触没有问题，但N线电接触会因为电流极小而出现表面膜，使得电接触劣化。解决的办法就是定期停电检修清除，或者特意地开合若干次，用电弧来烧蚀氧化层，也是一个常用的方法。

氧化膜对于弱电系统电接触的影响更为严重。例如我家里原来用局域网构建网络，RJ45插头经常接触不良，用着用着网络就断了，把RJ45插头拔出来反复接插几次才能恢复，严重时甚至需要更换水晶头，包括我的激光打印机插头也是如此。后来换成无线网才彻底地解决问题。

3.大电流的导体和电接触

对于大电流下的导体和电接触，上述这些情况会表现的更加强烈，其主因就是氧化。

大电流导体运行时会发热，如果它的温升超过一定值后，材料的机械强度会下降。因此国家标准规定了具体的温升值。对于裸铜，温升最高为60K，镀锡铜为65K，镀银或者镀镍为70K。

所以，在大电流的情况下，导电材料的表面处理非常重要，重点就是降低温升。

除了表面镀锡镀镍外，还采取表面涂黑漆或者包覆黑色热缩套管来降低温升等各种方法。关于涂黑漆或者包覆黑色热缩套管为何能降低温升请看这个帖子：Patrick Zhang：如何解释晚上的灯会更亮？

下图是开关柜中的工字形母线，它的载流量是4000A。注意到它的表面镀锡，并且采用异形结构来加强机械强度。

开关电器的电接触，插头插座的电接触，以及各种母线搭接面的电接触，同样也存在温升问题。

在大电流下，一旦发生短路，电流往往达到几十千安到数百千安。如此大的电流作用在导线上，会产生巨大的短路电动力和短路热冲击。电器对短路电流的承受能力叫做动、热稳定性。这也是开关电器及其导线材料需要重点考核的技术指标之一。

有关电接触的理论

电接触的理论用它的发现者来命名，就是霍姆电接触理论。霍姆是西门子公司的电气工程师，他以工程师的身份在上世纪七十年代创建了电接触理论，成为伟大科学家。可见，科学家并不一定非是绝对的物理学家才行。

电接触有两个理论，其一是 理论，内容是有关电接触的接触电压与温度的关系理论；其二是 理论，内容是接触电阻与温度的关系理论。

第一个理论可以导出一个重要公式： ，也即温升与接触电压Uj的平方成正比，与温度T成反比。

第二个理论可以导出触头材料烧蚀的温度场变化，以及长期工作下导体的材质变化。

这两个理论都作为长期运行状态下导体材料品质变化仿真的基本依据。

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在我的书稿《你所不知道的电气知识——电气世界漫游》中，有关导体的章节中除了讲解导体截面与载流量关系外，也谈到了导体在长期工作时的性状变化，以及电接触问题。

这个章节特别有意思。我刻意避免了烦冗的公式推导，把重点放在公式背后的物理现象描述以及我们日常所见现象分析上了。

不过，代价就是这个春节过得和高考考生差不多，天天都沉浸在书稿中无法自拔，笑！