Was verursacht Kontaktwiderstand?

Ein anderer Begriff ist Wärmewiderstand,

Das ist falsch. Der Wärmewiderstand ist etwas, das den Wärmefluss verhindert. Es ist ein völlig anderes Konzept als der elektrische Widerstand.

Wie erklärt sich der Kontaktwiderstand?

1. Um einen sehr niedrigen Widerstand in einem Material wie den meisten Metallen zu erhalten, müssen die Elektronen von den einzelnen Atomen delokalisiert werden und frei im Material fließen. Wenn sich zwei Metallteile scheinbar berühren, stehen sie möglicherweise nicht in so engem Kontakt, dass Elektronen zwischen ihnen frei fließen können. In der Tat, wenn sie es wären, würden wir sie wahrscheinlich als zusammengeschweißt betrachten.

2. Zwei sich berührende Oberflächen sind möglicherweise nicht ideal. Es können Oxide auf den Oberflächen oder Schmutz vorhanden sein.

3. Die beiden Oberflächen sind nicht perfekt glatt, daher ist der Bereich des engen Kontakts viel kleiner als der makroskopische Bereich der beiden Oberflächen. Sogar eine axiale Länge von wenigen Mikrometern kann einen messbaren Widerstand einführen, wenn die Querschnittsfläche klein genug ist.

Was ist eine intuitive Erklärung für den plötzlichen Verlust aufgrund des Kontaktwiderstands?

Es spielt keine Rolle, dass der Grenzflächenbereich sehr dünn ist (in der Richtung, in der der Strom fließt). Jede Situation, in der Elektronen Energie abgeben müssen, um von einem Ort zum anderen zu gelangen, wird aussehen, egal wie dünn ein Bereich ist, in dem er lokalisiert ist wie ein Widerstand, wenn er als Schaltungselement analysiert wird.

Dies ist eine sehr interessante Frage, insbesondere angesichts der jüngsten Geschichte der Wissenschaft zum elektrischen Kontaktwiderstand (ein Begriff, der erstmals 1964 von William Shockley, einem der Erfinder des Transistors, geprägt wurde) sowie zum thermischen Kontaktwiderstand. Für die folgende Erklärung werde ich diese 1993 veröffentlichte Forschungsarbeit über den elektrischen Kontaktwiderstand verwenden . In dieser Arbeit werden mathematische Modelle des Kontaktwiderstands für den elektrischen und thermischen Kontaktwiderstand bereitgestellt, aber hier werden einige intuitive Erklärungen gegeben.

Wenn nun elektrischer Strom von einem Medium zum anderen fließt, stören Oberflächenverunreinigungen den elektrischen Stromfluss. Der elektrische Strom muss etwas Energie abgeben, um von einem Medium zum anderen zu gelangen. Dies ist aus dem im Papier verwendeten Kontaktwiderstandsmodell ersichtlich.

Hier das$\rho _f$ist der Widerstand des Films zwischen den Oberflächen;$\alpha$die Dicke der Verschmutzung. Der erste Teil der Gleichung ist auf Einschnürungseffekte zurückzuführen, der zweite auf Oberflächenverunreinigungen. Es sind also zwei physikalische Effekte im Spiel,

1. Beim Übergang von einem Medium zum anderen treten Einschnürungseffekte auf, die zwangsläufig zu Energieverlusten führen

2. Oberflächenverunreinigungen, die den elektrischen Stromfluss stören

Obwohl es mehrere Quellen für Kontaktwiderstände gibt, ist die Hauptquelle für Kontaktwiderstände die Oxidation der Kontaktflächen.
Im elektrischen Fall haben die Oxide der Materialien eine viel geringere elektrische Leitfähigkeit (höheren Widerstand) als die Materialien, daher hat die Kontaktfläche (die nicht gereinigt und geschützt wird) einen höheren elektrischen Widerstand als die gegebenen Materialien.
Für den thermischen Fall ist die Antwort die gleiche wie oben, außer dass „thermisch“ durch „elektrisch“ ersetzt wird.

Das beste "intuitive" Beispiel, das mir einfällt, sind zwei Straßen mit "harter Oberfläche" und einem Sandabschnitt dazwischen. Es wird einfacher sein, auf einer der harten Oberflächen zu laufen als auf Sand. Sie verbrauchen am Ende mehr Energie auf einer gegebenen Strecke auf sandiger Fahrbahn als auf einer gleichen Strecke auf harter Fahrbahn.

Tatsächlich kann der Kontaktwiderstand, wie in früheren Antworten erörtert, auf Oberflächenmerkmale in Form von Unebenheiten und Passivierungsschichten zurückgeführt werden. Das Verhalten dieser Leitungsbarrieren hängt vom Anpressdruck ab . Passivierungsschichten sind Oxide und Hydroxide, die sich allgegenwärtig auf Leiteroberflächen bilden und eine Barriere für den Elektronentransport darstellen. Während das Vorhandensein von Rauheitsmerkmalen die Leitfähigkeit auf einen begrenzten Bereich der wahren Kontaktfläche beschränkt, deren Ausmaß wesentlich kleiner ist als die nominelle Kontaktfläche. Leitungsmechanismen durch passivierte Schichten (Tunnelbildung), Nanokontakte bei feinen Unebenheit-zu-Unebenheit-Kontakten (ballistischer Transport) und die konventionellen ohmschen Kontakte größerer Flächen mit echtem Kontakt ergeben zusammen den beobachteten elektrischen Kontaktwiderstand ECR.

Weitere Details finden Sie hier

Eine intuitive Antwort könnte wie folgt ablaufen.

Wenn zwei beliebige unterschiedliche elektrische Leiter (z. B. A und B) in Kontakt gebracht werden, ändert sich die Verteilung der Ladungsträger in A und B an der Verbindungsstelle, um eine neue Gleichgewichtsverteilung anzunehmen. Diese neue Verteilung der Ladungsträger verändert die vor der Kontaktbildung vorhandenen Potentialabfälle von A nach Luft (Delta V1) und B nach Luft (Delta V2) zu einem neuen Potentialabfall Delta V. Dieser Potentialabfall Delta V bewirkt eine zusätzlicher Widerstand gegen den Stromfluss über die Verbindungsstelle.

Da der elektrische Stromfluss und der Wärmefluss ähnlichen Gesetzen unterliegen, finden wir einen zusätzlichen Widerstand gegen den Wärmefluss an der Verbindungsstelle unterschiedlicher Wärmeleiter.

Weder Verunreinigungen noch Oxide usw. müssen herangezogen werden, um den zusätzlichen Widerstand an der Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Materialien zu erklären.

Es gibt keine wirklich einfache Antwort, die in wenigen Minuten auf einer Website veröffentlicht werden kann, auf die letzte Frage, die vom OP gestellt wurde: "Wie wird der Kontaktwiderstand erklärt?" Dies lässt sich leicht zeigen, indem man zum Beispiel liest:

Heinz K. Henisch. Halbleiterkontakte: Ein Ansatz zu Ideen und Modellen. Oxford Science Publications, 1984.