PASTILLES DE CONTACTS ELECTRIQUES

Propriétés générales des matériaux de contact

Les matériaux de contacts doivent : – Présenter des températures de fusion adéquates ; – Avoir des conductivités électrique et thermique élevées ; – Etre suffisamment inertes vis-à-vis de l’atmosphère dans laquelle ils seront placés pour éviter la formation de films isolants ; – Présenter des propriétés mécaniques suffisantes pour supporter les forces appliquées lors de l’écrasement des contacts.

Changements d’états

Les changements d’état de la matrice et du renfort conditionnent pour une bonne part les performances des contacts en présence d’arc. Les paramètres à prendre en compte sont les températures de fusion et d’ébullition de la matrice ainsi que les chaleurs latentes correspondantes, la température de vaporisation du renfort et sa chaleur latente, ainsi que les réactions éventuelles de changement de phase. Ces chaleurs latentes jouent le rôle de puits thermique en absorbant une partie de l’énergie de l’arc électrique. Les oxydes présentant des températures basses de changement d’état sont donc favorisés. Cependant, une température trop basse de changement d’état entraîne des problèmes de stabilité de l’oxyde lors de l’élaboration des pastilles de contact électrique. Elle favorise de plus le soudage et l’érosion par l’arc à cause de l’apparition en surface d’une couche de métal liquide. Une température trop haute favorise les réamorçages d’arc électrique. 

Conductivité électrique kel

La conductivité électrique caractérise l’aptitude d’un corps ou d’une solution à laisser passer le courant électrique. Elle est exprimée en S.m-1. Le pourcentage IACS34 (International Annealed Copper Standard) est défini par le rapport entre la conductivité du matériau et celle d’un étalon de cuivre choisi comme référence 100% : C = ( kel / 1.724) x 100 (2.1) Avec kel : conductivité électrique (en S.m-1) L’inverse de la conductivité, la résistivité ρ, est exprimée en Ohm.m. 2.1.2.1 Influence des conductivités sur le choix des matériaux de contact Un contacteur ou un disjoncteur doit laisser passer le courant en position fermée. Il s’échauffe alors par effet Joule. Cet effet doit être contrôlé : les normes préconisent une augmentation de température inférieure à 70°C entre les bornes de connexion des contacteurs lors du passage du courant. Les contacts doivent donc être de bons conducteurs électriques et thermiques. Les résistivités des principaux métaux sont représentés sur la figure 2.235.

Conductivité électrique des métaux purs

La conduction électrique dans les métaux purs est principalement électronique. La fonction de distribution d’équilibre global f(0), correspondant à la densité des porteurs de charges ayant une énergie donnée et se trouvant à l’équilibre, obéit alors à la statistique de FERMI – DIRAC. Elle apparaît dans l’équation de BOLTZMANN par : k T k µ B k e f r t − + = ε ε 1 1 ( , , ) (0) (2.2) Avec µ : niveau de FERMI ; r : position du niveau de FERMI ; εk : énergie du porteur de charge considéré ; kB : constante de BOLTZMANN. L’intégrale de collision traduit l’évolution temporelle de l’énergie du porteur de charge par suite d’une collision. Elle permet de réaliser un bilan d’énergie. Elle fait apparaître le temps de relaxation τ: (df/dt)coll. = (f – f(0)) / τ (2.3) Avec τ : temps de relaxation (temps moyen séparant deux chocs électroniques consécutifs) ; f : fonction de distribution. La densité de courant électrique se calcule à partir de la fonction de distribution f par : ∫ = f ⋅ vdk e J 3 (2 ) 2 π (2.4) Avec J : densité de courant dans le conducteur ; e : charge du porteur de charge ; f : fonction de distribution (fonction de k) ; v : vitesse du porteur de charge (fonction de k) ; k : état énergétique du porteur de charge. La conductivité électrique kel du matériau est définie par l’équation : x elEx j = k (2.5) avec jx : composante selon la coordonnée x de la densité de courant dans le conducteur ; Pastilles de contacts électriques 31 Ex : champ électrique appliqué dans la direction x. L’intégration sur un volume contenant plusieurs porteurs de charges au moyen des équations 2.2 à 2.5 donne alors : kel = n e2 τ / m (2.6) Avec n : concentration en électrons libres ; m : masse de l’électron ; e : charge élémentaire électronique. Pour les métaux purs, la conductivité est essentiellement régie par le temps de relaxation car la concentration en électrons varie peu. Ainsi, quand la température augmente, les ions oscillent de plus en plus fort autour de leur position d’équilibre et diffusent des électrons. Il en résulte que le temps de relaxation diminue et donc que la conductivité électrique diminue avec l’augmentation de température. La conductivité du métal pur est alors proportionnelle à T selon la loi de BLOCH-GRÜNESEIN3. Par exemple, la conductivité électrique de l’argent pur vaut 6.25.107 S.m-1 à 293K et 1.19.107 S.m-1 à 1233K (soit sa température de fusion).