Kontaktwiderstand und Austrittsarbeit

Wissenschaft Physik
#1

Es geht um die Frage, wovon der elektrische Widerstand einer Kontaktstelle abhängt.

Bei der Suche nach einer Antwort bin ich auf die Begriffe Kontaktwiderstand und Übergangswiderstand gestoßen. Der Kontaktwiderstand setzt sich seinerseits zusammen aus dem Engewiderstand und dem Fremdschichtwiderstand. Der Engewiderstand beschreibt den Widerstandsanteil, der aus der durch Unebenheiten der Kontaktflächen bedingten Verringerung des leitenden Querschnitts resultiert. Mit dem Fremdschichtwiderstand wird die durch Korrosion bedingte Änderung des spezifischen Widerstands berücksichtigt. Addiert man zum Kontaktwiderstand die Widerstände der beteiligten Metalle, erhält man den Übergangswiderstand.

So weit, so gut. Nun erinnere ich mich aber in diesem Zusammenhang an die sogenannte Elektronenaustrittsarbeit. Diese muss Elektronen zugeführt werden, damit sie die Oberfläche eines Metalls durchdringen und somit das Metall verlassen können. Nach meinem Verständis wird dieses physikalische Phänomen in den oben genannten Größen nicht berücksichtigt. Aber die Elektronen müssen den einen Kontakt verlassen und in den anderen eindringen. Nun stellen sich mir zwei Fragen:
1.) Müsste gegenüber einem ununterbrochenen (=kontinuierichen) Leiter den Elektronen nicht ein zusätzlicher Energiebetrag (eben die Austrittsarbeit*) zugeführt werden, damit sie die Unterbrechung überwinden können?
2.) Würde dieser zusätzlich erforderliche Energiebetrag nicht bedeuten, dass der Widerstand an der Kontaktstelle auch aufgrund der Austrittsarbeit gegenüber einem kontinuierlichen Leiter erhöht ist?

*Wobei ich hier geneigt bin, das Doppelte der Austrittsarbeit anzusetzen - einmal zum Ausdringen und einmal zum Eindringen. Aber vermutlich ist das Blödsinn. Zusatzfrage: Wie verhält es sich damit?

#2

Hallo,

Mit dem Fremdschichtwiderstand wird die durch
Korrosion bedingte Änderung des spezifischen Widerstands
berücksichtigt.

Nicht nur Korrosion, auch Verschmutzungen z.B. durch
Abbrandreste und bei offenen Kontakten durch Staub
verursachen Übergangswiderstände.

Addiert
man zum Kontaktwiderstand die Widerstände der beteiligten
Metalle, erhält man den Übergangswiderstand.
So weit, so gut. Nun erinnere ich mich aber in diesem
Zusammenhang an die sogenannte Elektronenaustrittsarbeit.
Diese muss Elektronen zugeführt werden, damit sie die
Oberfläche eines Metalls durchdringen und somit das Metall
verlassen können. Nach meinem Verständis wird dieses
physikalische Phänomen in den oben genannten Größen nicht
berücksichtigt.

Naja, wenn man das ganze statisch betrachtet, dann nicht.

Aber die Elektronen müssen den einen Kontakt
verlassen und in den anderen eindringen.

Genau so ist es.
Und auch deshalb gibt es sehr unterschiedliche Kontaktmat.,
je nach nachdem welche Spannung und welche Ströme
geschaltet werden sollen. Das allein ist eine Wissenschaft!

Nun stellen sich mir zwei Fragen:
1.) Müsste gegenüber einem ununterbrochenen (=kontinuierichen)
Leiter den Elektronen nicht ein zusätzlicher Energiebetrag
(eben die Austrittsarbeit*) zugeführt werden, damit sie die
Unterbrechung überwinden können?

So ist es in Praxis oft.
Es braucht eine Mindestspannung, um die Fremdkontaktschicht
zu durchschlagen. Bei sehr kleinen Spannungen und sehr
kleinen Strömen kann es passieren, das Kontakte sonst
hochohmig bleiben.
Das passiert umso eher, wenn der Kontakt schon mal mit
höheren Strömen und Spannungen beaufschlagt war.
Solche Kontakte funktionieren für kleinste Spannungen
dann nie mehr richtig.

Allerdings führt auch der rein mechanische Effekt des
Zusammenprellens der Kontakte mit dazu bei, eine dünne
Oxidschicht zu durchschlagen.

2.) Würde dieser zusätzlich erforderliche Energiebetrag nicht
bedeuten, dass der Widerstand an der Kontaktstelle auch
aufgrund der Austrittsarbeit gegenüber einem kontinuierlichen
Leiter erhöht ist?

Ja, das kann passieren. So eine Schicht wirkt dann wie ein
Isolator für kleine Spannungen.

Als Student habe ich mal ein elektr. Innen-/Außenthermometer
gebastelt und Als Umschaltrelais ein normales 0815-Signalsrelais verwendet. Das funktionierte auch soweit
ganz gut, bloß bei Temp. um 0°C Außentemp. fing das
Gerät an zu spinnen und hat Hausnummern angezeigt.
Die Ursache, dass die celsius-korrigierte Spannung
vom OPV zum ADC, die gegen 0V ging.
Strom fließt in einen ADC ja sowieso nur max. im uA-Bereich.

*Wobei ich hier geneigt bin, das Doppelte der Austrittsarbeit
anzusetzen - einmal zum Ausdringen und einmal zum Eindringen.

Letzendlich ist es eine Schicht, die aber sicher nicht
unbedingt als homogen aufzufassen ist.

Aber vermutlich ist das Blödsinn. Zusatzfrage:
Wie verhält es sich damit?

Das ist eine sehr relevante Angelegenheit bei der Nutzung
von mechanischen Kontakten.
Im Bereich mV und uA und darunter wird es teilweise richtig
interessant.

Da kann man nur noch Kontakte in Schutzgas benutzen.
-> Reedkontakte
http://www.meder.com/ms_relais.html?&tx_jppageteaser…
Als Kontaktbeschichtung für niedrigste Spannungen auf
Reedkontakten ist mir Rodium und Ruthenium bekannt
(Wir abhängig von Beschichtungstechnologie benutzt).
http://de.wikipedia.org/wiki/Ruthenium#Verwendung

Eine echte Spezialität für niedrigste Spannungen und
Ströme sind dann noch Quecksilberbenetzte Kontakte.
Damit kommt man quasi bis an 0V ran.

Allerdings ist ein anderes sehr lästiges Problem bei
Reedkontakten in Anwendungen mit niedrigen DC-Spannungen
die recht hohe Thermospannung der Kontakte (Eisen/Ni)
in Verbindung mit Kupferleitungen.
Gruß Uwi

ist mir

#3

Besten Dank für diese informative Antwort! Einer Sache bin ich mir aber noch nicht sicher. Angenommen, wir haben einen idealen Kontakt. Das heißt für mich, keine Fremdschicht auf den in Kontakt stehenden, perfekt ebenen Metalloberflächen. Mit perfekt eben meine ich, dass dort ausschließlich die positiven Atomrümpfe ein und derselben Schicht der Metallgitter liegen. Es gäbe dann auch keinen Engewiderstand, oder? Ist es jetzt auch noch so, dass eine Mindestspannung vorliegen muss, damit ein Stromfluss über die Kontaktstelle möglich wird? Müsste eigentlich so sein, denn die Austrittsarbeit muss ja trotzdem aufgebracht werden, um ein Elektron aus dem Wirkungsbereich des Gitters zu entfernen.* Das hätte dann aber nichts mit Fremdschicht- und Engewiderstand zu tun…

* Wie genau diese Barriere namens Austrittsarbeit entsteht , habe ich bislang nicht verstanden. Ich weiß nur, dass innerhalb des Gitters eine Wechselwirkung zwischen den Energieniveaus der Atome auftritt, die an der Oberfläche nicht vorhanden ist. Infolge dieser Tatsache muss zusätzliche Arbeit verrichtet werden, damit das Elektron durch die Oberfläche des Metalls dringen kann.

#4

Hallo,

idealen Kontakt. Das heißt für mich, keine Fremdschicht auf
den in Kontakt stehenden, perfekt ebenen Metalloberflächen.
Mit perfekt eben meine ich, dass dort ausschließlich die
positiven Atomrümpfe ein und derselben Schicht der
Metallgitter liegen. Es gäbe dann auch keinen Engewiderstand,
oder?

In gewisser Weise doch, denn die Kontaktstelle hat ja auf
Grund der Rauigkeit und der nicht exakten Planarität der
Kontakte nur eine sehr kleine Berührungsfläche.
Idealisiert geht diese Fläche gehen Null, wie wenn
z.B. 2 ideale Kugeln sich berühren.
Da ist der Widerstand natürlich größer als im
massiven Material.

Ist es jetzt auch noch so, dass eine Mindestspannung
vorliegen muss, damit ein Stromfluss über die Kontaktstelle
möglich wird?

Ohne Fremdschicht sehe ich da keinen Grund zu.
An der Kontaktfläche berühren sich die Metalle direkt.

Umso kleiner die Fläche, desto größer die Flächenpressung.
Das gibt quasi eine Kaltschweißverbindung. Es ist ja
schließlich nix da, was einen Abstand erzwingt, also
werden sich die Metallgitter direkt berühren und per
Kohäsion verbinden.

Müsste eigentlich so sein, denn die
Austrittsarbeit muss ja trotzdem aufgebracht werden, um ein
Elektron aus dem Wirkungsbereich des Gitters zu entfernen.*
Das hätte dann aber nichts mit Fremdschicht- und
Engewiderstand zu tun…

* Wie genau diese Barriere namens Austrittsarbeit entsteht ,
habe ich bislang nicht verstanden.

Das ist eben normal eine nicht leitende Schicht, die aber
so dünn ist, dass die Feldstärke ausreicht um einen
Stromfluss zu erreichen.
An der engsten Stelle ist die Feldstärke am größten.

Ich weiß nur, dass
innerhalb des Gitters eine Wechselwirkung zwischen den
Energieniveaus der Atome auftritt, die an der Oberfläche nicht
vorhanden ist.

Direkt an der Kontaktfläche sollte Metall an Metall liegen,
wenn keine Fremdschicht da ist, die einen Abstand erzwingt.
Gruß Uwi