ПРЕДИСЛОВИЕ К СЕДЬМОМУ ИЗДАНИЮ

Б 74

УДК 621.ЗМ.6 (075^

Второе издание удостоено государственной прем!* ссср

Рецензент — кафедра автоматики и телемеханики Северо-Западного политех« нического института (зав. кафедрой Б. В. Шамран)

Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М.

Б 74 Электротехнические материалы: Учебник для вузов. — 7-е изд., перераб. и доп.—Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. — 304 с., ил.

В пер.: 1 р. 10 к. 60 000 экз.

В книге излагаются основы физики явлений, происходящих в диэлектрических, полупроводниковых и магнитных материалах. Приводится классификация материалов и описываются их электрические, физико-химические и механические свойства. Рас­сматривается технология производства электротехнических материалов. В седьмое издание включены сведения о новых материалах: сверхпроводниках, полупроводни­ках и активных диэлектриках, расширены сведения о качестве материалов.

Киига предназначена в качестве учебника для студентов электротехнических н энергетических специальностей вузов, а также моэдет быть полезна инженерам элек-» тротехнических специальностей.

2

Б>БК 31.23

136—8в

^ • ^д я а И н е к и~й I

© Энергоатомиздат, 1985

302020000—148 051 (01)—85

Между седьмым и шестым изданием учебника прошло восемь лет, а после выхода в свет перво­го издания — свыше 35 лет.

З а этот период были сделаны серьезные открытия в науке и технике, появились новые материалы, разработана и внедрена в промышленность новей­шая технология получения и обработки матери­алов. В связи с этим учебные планы вузов так­же претерпели существенные изменения с целью улучшения теоретической, технологической и экономической под­готовки инженерных кадров. Некоторые положения учебника прошли проверку временем и сохранены в седьмом издании. Добав­лены сведения о новых материалах и их использовании. Обновлены и дополнены разделы о тех материалах, значение которых повыси­лось, а производство их увеличилось.

Настоящее издание учебника выходит накануне 100-летия пер­вого в нашей стране высшего электротехнического учебного заве­дения — Ленинградского ордена Ленина электротехнического инсти­тута имени В. И. Ульянова (Ленина). Впервые занятия студентов в нем начались 4 сентября (старого стиля) 1886 г. Имя В. И. Улья­нова (Ленина) было присвоено институту 28 ноября 1918 г.

На рубеже XIX и XX веков ЭТИ стал признанным центром электротехнической мысли в России. Почти всем пионерам электро­техники в России —Д. А. Лачинову, А. Н. Лодыгину, Н. Н. Бе- нардосу, А. С. Попову, И. И. Боргману, М. О. Доливо-Добро- вольскому советом института было присвоено звание почетных инженеров-электриков. Изобретатель радио А. С. Попов был избран профессором кафедры физики, а 26 сентября 1905 г. — первым выборным директором института.

Работавшие в институте видные деятели науки и техники своими трудами внесли крупный вклад в получение, исследование, техноло­гию и производство различных электротехнических материалов. Так, электрохимиками ЛЭТИ в 1909—1913 гг. впервые в России был получен из отечественного сырья алюминий, а в 1915 г. — магний.

Под руководством участвовавшего в разработке плана ГОЭЛРО профессора А. А. Смурова, изучавшего в ЛЭТИ вопросы электри­ческой прочности диэлектриков, были разработаны различные типы

высоковольтных керамических и бакелито-бумажных изоляторов и сформулированы требования к трансформаторному маслу для вы­соковольтных устройств.

Создателем высокочастотной электротермии чл.-корр. АН СССР В. П. Вологдиным в ЛЭТИ были предложены и внедрены в промыш­ленность методы сушки, полимеризации диэлектриков и плавки магнитов в высокочастотных электромагнитных полях.

Профессор Н. П. Богородицкий (ректор ЛЭТИ с 1954 до 1967 гг.) совместно с другими сотрудниками разработал основные виды вы­сокочастотной керамики для радиоизоляционных деталей и кон­денсаторов.

Чл.-корр. АН СССР С. Я. Соколов впервые в мире создал ультра­звуковые дефектоскопы для исследования металлов и использовал ультразвук для обработки материалов и воздействия на химические реакции в веществе.

Выпускник ЛЭТИ послевоенных лет заведущий кафедрой опто- злектроники ЛЭТИ академик Ж- И. Алферов внес существенный вклад в развитие науки о гетеропереходах в полупроводниках.

Седьмое издание учебника посвящается 100-летию ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина).

Авторы выражают глубокую благодарность профессору Б. В. Шамраю за ценные замечания и советы, сделанные им при ре­цензировании рукописи настоящего издания учебника.

Замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 191065, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение Энерго- атомиздата.

В. В. Пасынков, Б. М. Тареев

Разработка новых материалов и непрерывное совершенствование уже известных происходят одновременно с общим развитйем электротехники и расширением тре­бований промышленности к качеству материалов.

Первым практическим применением материала для создания сравнительно мощного источника электрической энергии можно считать изготовление большой батареи, электродвижущая сила которой создавалась за счет контактной разности потенциалов между дисками из разных металлов. Эта батарея была создана в 1802 г. академиком В. В. Петровым. В ней использовалось 8400 медных и цинковых дисков с прокладками из бумаги, пропитанной электролитом. С помощью этой бата­реи впервые в мире была получена электрическая дуга.

В 1832 г. в своих опытах по созданию электромагнитного телеграфа русский ученый П. Л. Шиллинг использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, невулканизированный каучук и шелковую пряжу.

В 1872 г. изобретатель А. Н. Лодыгин создал первую угольную лампу нака­ливания; инженер П. Н. Яблочков в 1876 г. изобрел электрическую «свечу», по­ложившую начало широкому применению электрического освещения.

В этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы и электрическая изоляция.

По мере развития электротехники все бблыдее значение приобретал правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.

Быстрый рост промышленности во всех ее многочисленных отраслях сопрово­ждается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совер­шенствованием технологии их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.

Развитие отечественной электротехники выдвинуло на одно из первых мест проблему быстрейшего совершенствования электротехнических материалов высо­кого качества, полностью отвечающих новейшим техническим требованиям и изго­товляемых из отечественного сырья по самой совершенной технологии.

В настоящее время новые электротехнические материалы появляются в резуль­тате предварительного глубокого изучения физических, механических и химиче­ских характеристик таких веществ, которые могли бы быть использованы в каче­стве технических материалов.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов и других их особенностей необходимо исследовать структуру и химический состав материалов.

Изучение и дальнейшая разработка нужных промышленности электротехни­ческих материалов входит в тематику научно-исследовательских институтов.

Новейшая технология изготовления материалов разрабатывается в опытных цехах институтов и заводов.

Сочетание научно обоснованных требований с реальными возможностями произ­водства создало в нашей стране те благоприятные условия, при которых промышлен­ность электроматериалов сумела достичь больших успехов.

Обеспечение высокого качества материалов для современной электротехники потребовало включения в программу подготовки инженеров-электриков специаль­ного курса «Электротехнические материалы», в котором рассматриваются:

1. теоретические положения, на основе которых изучаются и испытываются материалы, применяемые в электротехнике;

2. классификация электротехнических материалов по их назначению, составу и свойствам;

3. основные характеристики, по которым оценивается пригодность материалов для их использования в электротехнике;

4. основные особенности технологии электротехнических материалов;

5. наиболее характерные, технически и экономически обоснованные применения электротехнических материалов в практике.

В создании учебника участвовали сотрудники Ленинградского электротехни­ческого института имени В. И. Ульянова (Ленина) и Всесоюзного заочного энер­гетического института. Первое издание учебника было выпущено в начале 1950 г., а в конце 1951 г. уже было напечатано и второе издание.

Между вторым и третьим изданиями учебника прошло четыре года. За это время наша промышленность стала использовать в массовом производстве новые материалы, например фторорганические соединения, обладающие нагревостойксстью до 300 °С, новые виды электротехнической керамики с повышенной механической прочностью и хорошими электрическими свойствами, полупроводниковые изделия (германиевые диоды и триоды), тонкие листовые текстурированиые стали, магнитную керамику и специальные сплавы. Авторы стремились в третьем издании учебника отразить все достижения науки в области электротехнических материалов. Но при этом, руководствуясь тем, что в учебниках должны излагаться основы соответству­ющей отрасли науки и передовой опыт социалистического строительства, из учеб­ника был изъят устаревший материал я введены уточнения и дополнения на осноге опыта учебной работы советских и зарубежных вузов. Кроме того, на третьего изда­ния были исключены методики испытания материалов, рассматриваемые в специ­альных руководствах.

Четвертое издание настоящего учебника было выпущено в 1961 г. и дополни­тельным тиражом в 1963 г.

В четвертом издании учебника, как и в предыдущих, авторы попытались осве­тить успехи науки и техники за годы, прошедшие поел* выхода в свет предыдущего издания, и дать основные сведения как о применяемых в этот период промышлен­ностью электротехнических материалах, так и о новых перспективных материалах, создаваемых в нашей стране и за рубежом.

Для дальнейшего развития электрификации и автоматизации промышленности потребовались многие виды электротехнических материалов и в первую очередь новейшие гибкие высокомолекулярные диэлектрики с нагревостойкостью до 600— 650 °С, надежные в эксплуатации полупроводниковые элементы, ферромагнетики с высокими магнитными характеристиками в т. д.

Пятое издание учебника было выпущено в 1969 г., шестое — в 1977 г. Общий тираж всех изданий превысил четверть миллиона экземпляров.

Авторы выражают благодарность коллективам кафедр, профессорам, научным работникам, инженерам, оказавшим помощь в создании н переизданиях учебника.

Авторы

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

7 — удельная проводи­мость

Уз — удельная поверхно­стная проводимость у_т — коэффициент тепло­проводности б — угол диэлектриче­ских потерь г_г — относительная ди­электрическая про­ницаемость 1} — динамическая вяз­кость

К — длина свободного пробега частицы, длина электромаг­нитной волны (X — дипольный момент молекулы, коэффи­циент ослабления излучения — относительная маг­нитная проница­емость

• — молярная концен- . трация, кинематиче­ская вязкость, коэф­фициент упругой связи

р — объемная плотность электрического за­ряда, удельное (объ­емное) сопротивле­ние

Рб’ — удельное поверхно­стное сопротивление Рт — удельное тепловое сопротивление

о — поверхностная плот­ность заряда, меха­ническая прочность т — время

Ф — относительная влаж­ность воздуха, угол яр — влажность матери­ала

со — угловая частота В — магнитная индукция С — емкость конденса­тора, теплоемкость с — скорость света, удель­ная теплоемкость

О — электрическое сме­щение, коэффициент диффузии й — диаметр

Е — напряженность элек­трического поля, мо­дуль упругости £_пр — электрическая проч­ность

е — заряд электрона ^ — сила / — частота

Н — напряженность маг­нитного поля Ь — постоянная Планка, высота, толщина* длина / — сила тока J — плотность тока к — постоянная Больц­мана I — длина М — относительная моле­кулярная масса, момент силы т — масса Ы_А—постоянная Авогадро N — концентрация при­меси

п — показатель прелом­ления света, кон­центрация п₀ — концентрация элек­тронов, носителей Р — мощность р — давление, удельные потери мощности Ро — концентрация дырок <3 — заряд конденсатора, добротность

ТКр или а_р

и

q — заряд

Я — радиус, сопротивле­ние

г — радиус, сопротивле­ние

5. — поверхность, пло­щадь

Т — термодинамическая температура, твер­дость

ТКр, или а? — температурный ко­эффициент диэлек­трической проница­емости

ТК/ или а; — температурный коэф­фициент линейного расширения

• температурный, коэф­фициент удельного сопротивления температура, °С

• разность потенци­алов

и — подвижность носи­телей заряда г.' — скорость

• — объем

XV — энергия, энергия ак­тивации, ширина за­прещенной зоны 1 — номер элемента в та­блице Менделеева г — полное сопротивле­ние переменному току

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Виды связи. Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны.

Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, электроны за­полняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Строение ядра атома, периодичность заполнения оболочек электро­нами можно находить с помощью таблицы Д. И. Менделеева.

Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Размеры атомов около 0,1 нм, размеры положительных ионов, получившихся из атомов, лишившихся части электронов, меньше, чем размеры атомов, а размеры отрицательных ионов, присоеди­нивших дополнительные электроны, больше, чем размеры соответ­ствующих атомов. Ионами могут быть и группы атомов, потеряв­ших или присоединивших электроны.

Молекулы газов содержат различное число атомов. Так, напри­мер, гелий, аргон, неон —одноатомные газы; водород, азот, кисло­род, оксид углерода состоят из двухатомных молекул; углекислый газ, водяной пар — из трехатомных. Молекула аммиака построена из четырех атомов, а метана — из пяти. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов могут образовываться раз­личные виды связи.

Наиболее часто встречаются молекулы, в которых существуют ковалетные и ионные химические связи.

Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Химическая связь такого типа осуществ­ляется в молекулах Н₂, 0₂ и СО (рис. В-1), а также наблюдается в молекулах, образованных металлоидными. атомами, например в молекуле хлора и др.

Молекулы, в которых центры одинаковых по величине положи­тельных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполяр­ными. Если же в отдельных молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или ди- польными.

Полярная молекула характеризуется дипольным моментом, ко­торый определяется произведением заряда и расстояния между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Рио. В-1. Схематическое изображение двухатомной молекулы о ковалентной связью

Рио. В-2. Структура и плотная упаковка ионов хлористого натрия (а) и неплотная упаковка ионов хлористого цезия (б)

Ковалентная связь может быть как в молекулах (в трех агрегат­ных состояниях вещества), так и между атомами, образующими ре­шетку кристалла (например, алмаз, кремний, германий). Ковалент­ной связью могут удерживаться не только одинаковые атомы (С1 —С1,

—С—С—1, но и различные —С—Н, —Бі—С— ,

II/ \ І І I /

Второй вид связи — ионная связь — определяется силами при­тяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Типичными примерами ионных кристаллов являются галогениды щелочных металлов.

Из рис. В-2 видна плотная упаковка ионов хлористого натрия н неплотная — хлористого цезия.

Третий вид связи —металлическая связь, которая приводит также к образованию твердых кристаллических тел. Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных ионов, находящихся в среде свободных электронов (рис. В-3). Притяжение между положитель­ными атомными остовами и электронами является причиной моно­литности металла. Наличием свободных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металла, что также является причиной блеска металлов. Ковкость металла объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев атомных остовов.

Четвертый вид связи — молекулярная связь {связь Ван-дер- Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Меж- молекулярное притяжение в этом случае обусловливается согласо­ванным движением валентных электронов в соседних молекулах (рис. В-4). В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил

Рис. В-3. Схема строения металлического проводника

Рис. В-4. Схематическое изображение двух взаимодействующих молекул (связь

Ван-дер-Ваальса)

взаимного отталкивания электронов внешних ©рбит. Связь Ван-дер- Ваальса наблюдается между молекулами некоторых веществ, напри­мер парафина, имеющих низкую температуру плавления, свидетель­ствующую о непрочности их кристаллической решетки.

Строение и дефекты твердых тел. Кристаллическая решетка — это присущее кристаллическому состоянию вещества регулярное расположение частиц (атомов, ионов, молекул), характеризующееся периодической повторяемостью, в трех измерениях. Полное описа­ние кристаллической решетки дается пространственной группой, параметрами элементарной ячейки, координатами атомов в ячейке. В этом смысле понятие кристаллической решетки эквивалентн® понятию атомарной структуры кристалла. Русский ученый Е. С. Фе­доров почти на 40 лет раньше, чем были найдены методы рентгено­структурного анализа, рассчитал возможные расположения частив в кристаллических решетках различных веществ. Он подразделил кристаллы на 32 класса симметрии, объединяющих 230 возможных пространственных групп. Кристаллы могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам, обра­зованию адсорбционных центров, работе выхода электронов и т. и.

Причина образования каким-либо элементом или соединением данной пространственной решетки в основном зависит от размеров атома и электронной конфигурации его внешних оболочек.

Известно, что наиболее высоким как ближним (в пределах эле­ментарной ячейки), так и дальним (на больших расстояниях) по­рядком расположения частиц отличаются химические соединения, находящиеся в твердом (кристаллическом) состоянии. Говорить о той или иной степени ближнего и дальнего порядка расположения частиц (рис. В-5) можно лишь для твердых растворов кристалличе­ских веществ, а также стеклообразного состояния. Упорядоченное и неупорядоченное состояние можно наблюдать и у высокомолеку­лярных — полимерных материалов. Практически полное отсутствие порядка в расположении частиц должно быть у аморфных тел.

В электротехнике широко применяются материалы как с упоря­доченным, так и неупорядоченным строением.

Р ис. В-5. Схематическое двухмерное изображение строения: а — решетки кристалла;

б — стекла

«Дефекты» строения кристаллической решетки, определяющие особые физические свойства вещества, широко используются для получения самых различных материалов, которые применяются, в частности, в люминесцентной технике (кристаллофосфоры для осветительных целей, оптические преобразователи, светящиеся крас­ки и др.).

К дефектам кристаллического твердого тела относятся любые нарушения периодичности электростатического поля кристалли­ческой решетки (рис. В-6): нарушение стехиометрического состава, наличие посторонних примесей, механически напряженные участки структуры, дополнительные кристаллографические плоскости (дис­локации, трещины, поры) и т. д.

По своей природе перечисленные дефекты могут быть или тепло­выми или «биографическими». Последние связаны с технологическим процессом получения данного материала.

Классификация веществ по электрическим свойствам. Все веще­ства в зависимости от их электрических свойств относят к диэлек­трикам, проводникам или полупроводникам. Различие между про­водниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Исследование спектров излучения различных веществ в газо­образном состоянии, когда атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каж-