探讨M-效应点的特性和作用

早在1939年A．W．Metcalf等发表了一篇名为“一种新的熔断现象”的文章，介绍了不同种类金属之间融合对熔断器特性的影响。他们将焊锡与银混合后发现，有时熔体熔化首先出现在有焊料的地方而非熔体狭颈；在没有焊料的情况下，熔体的最高温度出现在狭颈。这个研究的大致过程如下：

（1）他们首先制备了很多参考熔断器，每个熔断器含有一根银丝，放入玻璃管中，填入石英砂，两头封住。参考熔断器分为两组：一组的熔体是纯银丝；另一组的熔体是在银丝中间位置点上球状焊料。除此差别外，两组样品的其他方面完全相同。从两组参考样品得到的电流-时间曲线发现，带有焊料的最小熔断电流是不带焊料最小熔断电流的60%左右。假定加热效应与电流平方成正比，可以推导出带有焊料的熔体熔化温度大约为345℃，大致是银熔点的（0.6）2。

（2）继续试验，逐渐提升电流，控制电流提升过程。每一步都使温度均匀，这时发现焊料出现一个明显变化：焊料颜色逐渐变深直到红色，但是与焊料紧邻的银丝颜色基本不变。焊料发红持续的时间很短，与焊料紧邻的银丝很快断裂，电路被断开。进一步观察发现，与焊料紧邻的银丝扩散到焊料里，进入焊料里的银丝变得很脆，一碰就碎。

（3）重复这些试验，结果都是熔丝熔化前电流就被分断。在冷却状态下观察发现，焊料里的熔丝电阻增加了1倍，而没有焊料的熔丝电阻基本没变。

这种现象目前得到广泛应用，很多熔断器在银或者铜熔体表面加上低熔点金属材料。当熔体带有狭颈时，低熔点金属材料经常被加在与狭颈相邻部位而并非总是在狭颈处。对于过载保护，当电流大到引起低熔点材料熔化时，合金过程开始，合金区域的熔体电阻变大，电流被分断。相比没有低温熔点材料的情形，有低温熔点材料的熔断器熔断电流更小，从而可以得到更小的熔断因子（熔断因子等于熔断电流与额定电流的比值）。过载电流不大时，熔体狭颈不熔化。(https://www.xing528.com)

在发生短路时电流极大，狭颈升温速度很快，在几个毫秒的时间里就达到熔化温度，在这个过程中，由于其比热容较大以及狭颈处传导出的热量太少，低熔点材料的区域不能达到合金反应的温度。图2-14是有M-效应点熔体与无M-效应点熔体的比较。

图2-14　有M-效应点的熔体与无M-效应点的熔体比较

因此，通过选择合适的材料及几何尺寸，利用M-效应可以产生单一熔体材料无法获得的时间-电流特性。当熔断器承载电流是最小熔断电流很多倍时，利用前述方法，可以计算出带有M-效应点熔断器的分断时间；当电流较小时，建立计算模型时需要考虑低熔点材料向熔体材料的扩散。文献介绍了一种模型，可以用来计算M-效应熔体的电流分布温度分布，以及低熔点材料向熔体材料的扩散。利用这种方法分别计算了带有狭颈熔断器和不带有狭颈熔断器的时间-电流特性，发现理论计算值与试验结果比较吻合。这意味着，有可能通过建模计算使熔断器利用M-效应点具备所需特性以满足特定应用需求，缩短设计工作中的反复试错及验证过程。