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2024-07-21T08:24:52Z

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Der '''Kontaktwiderstand''', '''Übergangswiderstand''' oder '''Kontaktübergangswiderstand''' ist der [[elektrischer Widerstand|elektrische Widerstand]] einer [[elektrischer Kontakt|elektrischen Kontaktfläche]], beispielsweise zwischen den Kontakten eines [[Schalter (Elektrotechnik)|elektrischen Schalters]]. Der Kontaktübergangswiderstand setzt sich aus der Summe der beiden Anteile ''Engewiderstand'' und ''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 [[spezifischer Widerstand|spezifischen Widerstand]] des eingesetzten Materials, den Oberflächenunebenheiten (z. B. entstanden durch Abbrand) und 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 des Kontaktes, ausgedrückt in der Einheit [[Siemens (Einheit)|Siemens]], ergibt sich vereinfacht:

:<math>\Lambda \approx\frac{3{,}7}{E^{*} \cdot \rho \cdot l} \cdot F_N</math>

Dabei bezeichnet <math>E^*</math> den effektiven Elastizitätsmodul mit

:<math>E^* = \frac{E}{2\cdot(1-\nu^2)}</math>,

<math>E</math> den [[Elastizitätsmodul]], <math>\nu</math> die [[Poissonzahl]] (<math>\nu \approx \tfrac{1}{3}</math> bei metallischen Werkstoffen), <math>\rho</math> den [[Spezifischer Widerstand|spezifischen elektrischen Widerstand]] des Kontaktmaterials, <math>l</math> den [[Rauheit|quadratischen Mittelwert der Rauigkeit-Höhenverteilung]] (wenn nicht näher bekannt, gut mit <math>2\cdot10^{-6}\, \mathrm{m} </math> (2 µm) angenähert) und <math>F_N</math> die Normalkraft auf dem 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 <math>D</math> des Körpers erreicht, steigt die Leitfähigkeit nicht weiter; in Sättigung ist <math>\Lambda_{\mathrm{max}} \approx D/\rho</math>.

Beispiel: Kontaktwiderstand von zwei ebenen Kupferscheiben mit <math>D = 1</math> mm, die mit der Kraft 2,7 N aneinander gepresst werden. Für Kupfer ist bei [[Raumtemperatur]]:

:<math>\rho \approx 1{,}8\cdot10^{-8}\, \Omega \mathrm{m},\ E^*\approx 5{,}6\cdot10^{10}\, \mathrm{Pa}</math>

und damit:

:<math>R = \frac{1}{\Lambda} = 0{,}1\, \mathrm{m}\Omega</math>

Die Sättigungskraft ergibt sich zu 56 kN.

== Fremdschichtwiderstand ==
Durch [[Korrosion]] (z. B. [[Oxidation]]) entsteht auf der Kontaktoberfläche eine Fremdschicht, die den Widerstand erhöht. Um dies zu vermeiden, werden Edelmetalle wie [[Gold]], [[Silber]], [[Palladium]] oder [[Platin]] verwendet, oft nur in dünnen Schichten. Schalter und Relais können außerdem so konstruiert werden, dass die Kontaktflächen im Schaltmoment kurz aneinander reiben und so die Fremdschicht wieder abgetragen wird. Der Fremdschichtwiderstand stört insbesondere bei sehr kleinen Spannungen. Einige dieser sehr dünnen Schichten werden beim Schalten etwas höherer Spannungen wieder durchschlagen. Diesen Effekt nennt man ''Frittung'', die dazu benötigte Spannung [[Frittspannung]].
Konstante und/oder geringe Widerstände sind wichtig wegen der Beeinflussung der Signale (z. B. Elektroakustik oder Messtechnik) oder wegen Leistungsverlusten.

Die Wahl der Oberflächenmaterialien ist auch wichtig bei Steckungen bzw. Schaltungen im stromführenden Zustand. Daneben wirken mechanische Belastungen auf die Oberflächen ein. Durch beides können dünne Edelmetallschichten leicht zerstört werden. Die Kontaktoberfläche muss also je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgelegt werden.

Um den Kontaktwiderstand bei Klemmkontakten zu verringern, können oder müssen störende Fremdschichten vor dem Anschluss beseitigt werden. Bekannt dafür ist insbesondere [[Aluminium]], welches bereits nach kurzer Lagerung harte isolierende Oxidschichten bildet. Es wird bei großen Leiterquerschnitten wegen Vorteilen beim Gewicht eingesetzt und zum Kontaktieren freigebürstet und gefettet. Bei kleineren Leiterquerschnitten wie bei [[Elektroinstallation|Hausinstallation]] werden Leiter aus Kupfer oder in Form von [[kupferkaschiertes Aluminium|kupferkaschiertem Aluminium]] (CCA) eingesetzt.

== Auswirkungen ==
[[elektrischer Kontakt|Elektrische Kontakte]] ([[klemme (Elektrotechnik)|Klemme]]n, [[Relais]]- und [[Schalter|Schalt]]-Kontakte, [[Schleifkontakt]]e) müssen unter Berücksichtigung der beiden vorgenannten Effekte konstruiert werden:
*Vermeidung von Korrosion (Edelmetalle, Fett, Kontakt-Korrosionsschutzöle)
*großer Kontaktdruck (z. B. Klemmen, Federzugklemmen, nicht zu große Flächen)
*Gegeneinander-Bewegen ([[Schleifkontakt]], Stufenschalter, [[Potentiometer]]), (Abnutzung beachten)

== Anwendungen ==
Die beiden letzten – bei Kontakten unerwünschten – Effekte werden u. a. beim [[Kohlemikrofon]] ausgenutzt, um mechanische Mini-Bewegungen bzw. Anpressdruckänderungen (Schalldruck) über ein Widerstandsänderung in eine Wechselspannung zu wandeln.

Fußbediente [[Anlasswiderstand|Anlasswiderstände]] an älteren Nähmaschinen nutzen diesen Effekt – sie bestehen aus einem dem Pedaldruck ausgesetzten Stapel aus Graphit-Scheiben.

Beim [[Kohärer]] wird der Übergangswiderstand dagegen durch die [[Hochfrequenz]]spannung beeinflusst und damit amplitudenabhängig. So konnte er zur [[Empfangsgerät|Detektion]] von [[Radiowelle|Funksignalen]] verwendet werden.

== Literatur ==
* {{Literatur|Autor=Ragnar Holm|Titel=Electrical Contacts Handbook|Verlag=Springer-Verlag|Jahr=1958|Auflage=3}}
* {{Literatur|Autor=Valentin L. Popov|Titel=Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation|Verlag=Springer-Verlag|Jahr=2009|ISBN=978-3-540-88836-9}}
* {{Literatur|Autor=Eduard Vinaricky, Albert Keil, Wilhelm A. Merl|Titel=Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen|Verlag=Springer-Verlag|Jahr=2002|ISBN=978-3-540-42431-4}}

== Siehe auch ==
* [[Flächenwiderstand]]

== Weblinks ==
* {{Internetquelle | url = http://www.wsk.de/kowi/kontaktwiderstand.htm | titel = Kontaktwiderstand | zugriff = 2015-05-16 }}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4165144-3}}

[[Kategorie:Elektrischer Widerstand]]

Kontaktwiderstand - Versionsgeschichte

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