Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроматериаловедение. Учебник для СПО.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Москва
2026
Саратов
2026
__________________________________________________________________
А. В. Угольников
ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УЧЕБНИК ДЛЯ СПО
2-е издание, стереотипное
Учебник содержит сведения, необходимые для формирования
профессиональных компетенций при подготовке специалистов среднего звена
по специальности 35.02.08 «Электротехнические системы в АПК»;
по профессии 35.01.15 «Мастер по ремонту и обслуживанию электрооборудования
в сельском хозяйстве» и рекомендуется Федеральным УМО по сельскому, лесному
и рыбному хозяйству для использования в учебном процессе
Ай Пи Ар Медиа
Профобразование
УДК 621.3
ББК 30.3
У26
Автор:
Угольников А. В. — канд. техн. наук, доц.,
зав. кафедрой электротехники
Уральского государственного горного университета, профессор РАЕ
Угольников, Александр Владимирович.
У26 Электроматериаловедение : учебник для СПО / А. В. Угольников. —
2-е изд., стер. — Москва : Ай Пи Ар Медиа ; Саратов : Профобразование,
2026. — 187 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-4497-0024-7 (Ай Пи Ар Медиа)
ISBN 978-5-4488-0265-2 (Профобразование)
Учебник рассматривает электротехнические материалы, используемые в современных системах энергетики и промышленности: проводники, полупроводники, диэлектрики и магнитные материалы. В издании
приведены основные показатели для оценки свойств каждого вида материалов, приведены примеры, особенности их применения.
Подготовлен с учетом требований Федерального государственного
образовательного стандарта среднего профессионального образования.
Учебник предназначен для студентов всех профессий и специальностей, учебными планами которых предусмотрено изучение дисциплин
«Электроматериаловедение», «Основы электроматериаловедения»,
«Электротехнические материалы» и «Материаловедение».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-0024-7 © Угольников А. В., 2019
ISBN 978-5-4488-0265-2 © ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2026
© ООО «Профобразование», 2026
Учебное издание
Угольников Александр Владимирович
Редактор Ю. Б. Захарова
Технический редактор, компьютерная верстка Т. П. Устьянцева
Корректор А. В. Мисенжников
Обложка С. С. Сизиумовой
Подписано к использованию 05.09.2025. Объём данных 8 Мб.
ООО «Профобразование»
8-800-511-14-70 (бесплатный звонок по России)
E-mail: office@profspo.ru, sale@profobr.pr
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................... 7
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ........................................................................................ 10
ГЛАВА 1. ДИЭЛЕКТРИКИ ................................................................................. 15
1.1. Понятие о диэлектриках. Классификация диэлектриков ....................... 15
1.2. Понятие о поляризации диэлектриков. Абсолютная,
относительная проницаемости и поляризованность диэлектриков ............. 17
1.3. Виды поляризации...................................................................................... 20
1.3.1. Электронная поляризация ................................................................ 20
1.3.2. Ионная поляризация ......................................................................... 21
1.3.3. Дипольно-релаксационная поляризация......................................... 22
1.3.4. Миграционная поляризация ............................................................. 24
1.3.5. Электронно-релаксационная поляризация ..................................... 24
1.3.6. Ионно-релаксационная поляризация .............................................. 25
1.3.7. Спонтанная (остаточная) поляризация ........................................... 25
1.4. Обобщенная схема замещения диэлектрика ........................................... 27
1.5. Относительная диэлектрическая проницаемость ................................... 29
1.5.1. Относительная диэлектрическая проницаемость
газообразных диэлектриков ....................................................................... 29
1.5.2. Относительная диэлектрическая проницаемость
жидких диэлектриков.................................................................................. 30
1.5.3. Относительная диэлектрическая проницаемость
твердых диэлектриков ................................................................................ 31
1.5.4. Относительная диэлектрическая проницаемость
сложных диэлектриков ............................................................................... 32
1.6. Электропроводность диэлектриков .......................................................... 33
1.6.1. Понятие об электропроводности диэлектриков.
Механизм электропроводности ................................................................. 33
1.6.2. Электропроводность газообразных диэлектриков ........................ 36
1.6.3. Электропроводность жидких диэлектриков ................................... 38
1.6.4. Электропроводность твердых диэлектриков ................................. 39
1.6.5. Удельные объемные и поверхностные сопротивления
твердых диэлектриков ............................................................................... 40
1.7. Диэлектрические потери ........................................................................... 44
1.7.1. Понятия о диэлектрических потерях.
Основные показатели диэлектрических потерь ....................................... 44
1.7.2. Схемы замещения диэлектриков для учета
диэлектрических потерь ............................................................................. 44
1.7.3. Виды диэлектрических потерь ......................................................... 48
4
1.8. Пробой диэлектриков................................................................................. 50
1.8.1. Понятие пробоя. Основные характеристики пробоя ..................... 50
1.8.2. Пробой газообразных диэлектриков ............................................... 51
1.8.3. Пробой твердых диэлектриков ........................................................ 55
1.8.4. Электротепловой пробой .................................................................. 56
1.8.5. Электрохимический пробой ............................................................. 58
1.8.6. Качество изоляции ............................................................................ 60
1.9. Свойства диэлектриков .............................................................................. 62
1.9.1. Механические свойства .................................................................... 62
1.9.2. Физические свойства ........................................................................ 63
1.9.3. Тепловые свойства ............................................................................ 66
1.10. Изоляционные материалы ....................................................................... 68
1.10.1. Понятие об изоляционных материалах ......................................... 68
1.10.2. Газообразные изоляционные материалы ...................................... 69
1.10.3. Жидкие изоляционные материалы ................................................ 70
1.10.4. Твердые и твердеющие изоляционные материалы...................... 72
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ .......................................................... 75
2.1. Физическая природа магнетизма. Ферромагнетизм ............................... 75
2.2. Основные характеристики магнитных веществ ...................................... 78
2.3. Строение ферромагнетиков ....................................................................... 80
2.4. Намагничивание ферромагнетика ............................................................ 83
2.5. Свойства ферромагнитных материалов в квазипостоянных
магнитных полях ............................................................................................... 86
2.6. Потери мощности на перемагничивание в переменном
магнитном поле ................................................................................................. 90
2.7. Свойства ферромагнитных материалов в магнитных полях
переменной частоты .......................................................................................... 91
2.8. Эффект вытеснения магнитного поля при перемагничивании
ферромагнетиков в переменном поле ............................................................. 96
2.9. Явление магнитной анизотропии и магнитострикции ......................... 100
2.10. Магнитомягкие материалы.................................................................... 103
2.10.1. Технически чистое железо .......................................................... 104
2.10.2. Листовые электротехнические стали .......................................... 106
2.10.3. Пермаллои и альсиферы ............................................................... 109
2.10.4. Магнитомягкие ферриты .............................................................. 112
2.11. Магнитотвердые материалы ................................................................. 112
2.11.1. Сплавы на основе железа-никеля-алюминия ............................. 113
2.11.2. Металлокерамические магниты ................................................... 113
2.11.3. Магнитотвердые ферриты ............................................................ 114
2.11.4. Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ) ................. 114
5
ГЛАВА 3. ПОЛУПРОВОДНИКИ ..................................................................... 115
3.1. Понятие о полупроводниках. Их классификация ................................. 115
3.2. Простые полупроводники ....................................................................... 116
3.3. Бинарные соединения .............................................................................. 123
3.4. Сложные полупроводники ...................................................................... 124
3.4.1. Сложные полупроводники А
3.4.2. Сложные полупроводники А
3.4.3. Сложные полупроводники типа А
3.4.4. Сложные полупроводники типа А
IV BIV
III BV
................................................ 125
................................................. 127
II BVI
........................................ 132
IV BIV
(халькогениды свинца) ............................................................................. 135
V
3.4.5. Сложные полупроводники типа А
VI
B
2
...................................... 136
3
3.4.6. Оксидные полупроводники ............................................................ 137
3.4.7. Стеклообразные полупроводники ................................................. 138
3.4.8. Органические полупроводники ..................................................... 139
3.5. Электропроводность простых и сложных полупроводников .............. 141
3.6. Фотопроводимость полупроводников ................................................... 143
3.7. Термоэлектрические явления в полупроводниках ............................... 145
3.8. Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках ............................... 147
3.9. Электронно-дырочный переход .............................................................. 149
3.10. Примеры полупроводниковых материалов ......................................... 151
ГЛАВА 4. ПРОВОДНИКИ ................................................................................. 152
4.1. Классификация проводников .................................................................. 152
4.2. Электропроводность металлов ............................................................... 153
4.3. ТермоЭДС проводников .......................................................................... 158
4.4. Материалы высокой проводимости ....................................................... 159
4.4.1. Медь и ее сплавы ............................................................................. 160
4.4.2. Алюминий и его сплавы ................................................................. 165
4.4.3. Железо и его сплавы ....................................................................... 167
4.4.4. Натрий .............................................................................................. 169
4.5. Криопроводники и сверхпроводники..................................................... 169
4.5.1. Криопроводники ............................................................................. 170
4.5.2. Сверхпроводники ............................................................................ 170
4.6. Материалы высокого сопротивления ..................................................... 174
4.6.1. Проводниковые резистивные материалы ..................................... 174
4.6.2. Пленочные резистивные материалы ............................................. 178
4.6.3. Материалы для термопар ............................................................... 181
4.7. Припои, флюсы и контактолы ................................................................ 182
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 187
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цивилизация и материаловедение по определению американского учено-
го Хиппеля — это каменный век — 10
6
лет до нашей эры (палеолит, мезолит,
неолит), медный век — 1800 лет до нашей эры, бронзовый век — 700 лет
до нашей эры, железный век нашей эры, ХХ век, век бумаги и пластмасс.
Наука об электроматериалах изучает свойства, состав и структуру, чтобы
влиять на различные факторы материала и прогнозировать материалы с учетом
качества и срока службы для надежности оборудования. Электротехнический
материал в широком смысле — любой материал в производстве электротехнических изделий, в узком смысле — имеющий специальные свойства в отношении электромагнитного поля.
Необходимым условием успешного развития любой технической отрасли
является наличие высококачественных материалов. Это положение справедливо и в производстве электротехнических изделий. Изучением и развитием материальной базы электротехники и электроники занимается самостоятельная
отрасль науки — наука об электротехнических материалах. Она изучает свойства электротехнических материалов и связи их свойств с составом и структурой строения веществ и раскрывает, как эти свойства зависят от влияния различных внешних факторов. Полученные сведения позволяют получать новые
материалы с заранее заданными свойствами, прогнозировать их изменение
в различных условиях применения и повышать срок службы и надежность деталей и всего оборудования.
В производстве электротехнических изделий используются различные
материалы. В зависимости от назначения и используемых свойств их подразделяют на конструкционные и электротехнические.
Конструкционными называются материалы, применяемые для изготовле-
ния таких деталей и частей изделий, основным назначением которых является
восприятие и передача механических усилий или защита от неблагоприятных
внешних воздействий. Из конструкционных материалов изготавливаются валы
и корпуса электрических машин, защитные кожухи, различные крепежные детали и т.п. К этим материалам относятся чугуны, конструкционные стали различных марок, цветные металлы и их сплавы, пластмассы и т.п. Основными характеристиками конструкционных материалов являются пределы прочности
на растяжение, сжатие и изгиб, температурный коэффициент линейного расширения, хрупкость, твердость, вибростойкость.
7
Электротехническими называются материалы, обладающие определен-
ными свойствами по отношению к электромагнитному полю и используемые
в технике с учетом этих свойств.
По поведению в электрическом поле электротехнические материалы под-
разделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрики.
По поведению в магнитном поле все материалы делятся на диамагнетики,
парамагнетики и магнитные. На практике в качестве электротехнических используются только магнитные материалы.
В соответствии с вышеизложенным, все электротехнические материалы
в зависимости от свойств электрического и магнитного полей делятся на четыре основные группы: проводники, полупроводники, диэлектрики и магнитные
материалы.
В последнее время условия эксплуатации электротехнических и элек-
тронных устройств значительно усложнились. Повысилась удельная мощность,
т.е. мощность, приходящаяся на единицу объема или массы этих устройств.
Повышение удельной мощности вызывает, в свою очередь, рост рабочей температуры изделия.
Расширился диапазон температур, в пределах которого эксплуатируются
эти устройства: от сверхнизких, близких к абсолютному нулю (космическая и
криогенная техника), до сверхвысоких (плазменная, ядерная и металлургическая техника).
Расширяется диапазон рабочих напряжений. Требуются материалы, спо-
собные выполнять свои функции при напряжениях от 10
6
до 1,5 В. Также рас-
ширяются диапазоны частот электрического и магнитного полей (от нуля
до оптических частот) и рабочих давлений (от абсолютного вакуума и
до сверхвысоких давлений).
Ужесточаются требования к стабильности свойств материалов при воз-
действии внешних факторов (температура и влажность окружающей среды, механические усилия, излучения и др.).
Одновременно с утяжелением условий эксплуатации значительно повы-
шаются требования к надежности работы электротехнических и электронных
устройств, в большой степени зависящей от видов электротехнических материалов, использованных при их изготовлении.
Все вышеизложенные факторы усложняют выбор электротехнических ма-
териалов, пригодных в каждом конкретном случае применения. Поэтому
для осуществления такого выбора необходимо хорошо знать те физические про-
8
цессы, которые имеют место в материалах при работе в электромагнитных полях, и основные показатели, количественно определяющие свойства материалов.
В результате освоения материалов данного учебника обучающийся должен:
1) уметь:
• определять свойства конструкционных и сырьевых материалов, приме-
няемых в производстве, по маркировке, внешнему виду, происхождению, свойствам, составу, назначению и способу приготовления и классифицировать их;
• различать электротехнические материалы по физико-химическим,
электрическим, механическим, влажностным свойствам;
• подбирать электротехнические материалы по их назначению и услови-
ям эксплуатации; применять материалы при выполнении работ;
2) знать:
• общие сведения о строении материалов;
• общие сведения о полупроводниковых, проводниковых, диэлектриче-
ских и магнитных материалах и изделиях;
• сведения об электромонтажных изделиях;
• назначение, виды и свойства материалов;
• номенклатуру закладных и установочных изделий;
• общую классификацию материалов, их характерные свойства и области
применения.
9
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Материалы, используемые в различных областях электротехники, можно
подразделить на конструкционные и электротехнические. Конструкционные
материалы используются для изготовления вспомогательных деталей и элементов электротехнических изделий, воспринимающих, как правило, механические
нагрузки.
Электротехнические материалы характеризуются определенными свой-
ствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике
с учетом этих свойств. При работе электротехнических изделий на электротехнические материалы могут воздействовать электрические и магнитные поля,
как отдельно, так и совокупности.
По поведению в магнитном поле материалы подразделяются на сильно-
магнитные и слабомагнитные (немагнитные).
По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на про-
водниковые, полупроводниковые и диэлектрические. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является его электропроводность.
Электропроводность — это способность вещества проводить электриче-
ский ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического поля.
Если вещество поместить в электрическое поле напряженностью Е, то
имеющиеся в нем свободные заряженные частицы (носители заряда) под действием силы F = q⋅E (q — величина заряда свободной частицы) приобретают
ускорение. При этом частицы, имеющие положительный заряд q, движутся в
направлении вектора E, а имеющие отрицательный заряд q — в противоположном направлении. Возникающее таким образом упорядоченное в пространстве
(в отличие от хаотического теплового) движение электрических зарядов и есть
электрический ток в веществе.
Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свой-
ством которых является сильно выраженная по сравнению с другими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном
этим свойством, определяющим высокую удельную проводимость.
Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей
удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами. Отличительной способностью полупроводников является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концен-
10