Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
А. В. Угольников
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
И КОНСТРУКЦИОННОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебник
2-е издание, стереотипное
Москва
Ай Пи Ар Медиа
2026
УДК 621.3
ББК 30.3
У26
Автор:
Угольников А. В. — канд. техн. наук, доц.,
зав. кафедрой электротехники
Уральского государственного горного университета, профессор РАЕ
Рецензент:
Юнусов Х. Б. — канд. техн. наук, доц. кафедры ЭГП
Уральского государственного горного университета
Угольников, Александр Владимирович.
У26 Электротехническое и конструкционное материаловедение : учебник /
А. В. Угольников. — 2-е изд., стер. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2026. —
188 с. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-0022-3
Учебник содержит теоретические сведения о свойствах электротехнических материалов (диэлектриков, магнитных материалов, проводников и
полупроводников), широко используемых в производстве электротехнической и электронной аппаратуры; приведены основные показатели, посредством которых оцениваются эти свойства. Даны примеры материалов, способы и области их применения.
Подготовлен с учетом требований Федерального государственного
образовательного стандарта высшего образования.
Учебник предназначен для студентов всех специальностей и направлений подготовки, учебными планами которых предусмотрено изучение
дисциплины «Электротехническое и конструкционное материаловедение».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-0022-3
© Угольников А. В., 2019
© ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2026
Учебное издание
Угольников Александр Владимирович
Редактор Т. П. Устьянцева
Технический редактор, компьютерная верстка И. О. Игнатьева
Корректор А. В. Мисенжников
Обложка С. С. Сизиумовой
Подписано к использованию 05.09.2025. Объем данных 7 Мб.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
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 ...................................... 79
2.3. Строение ферромагнетиков ....................................................................... 80
2.4. Намагничивание ферромагнетика ............................................................ 84
2.5. Свойства ферромагнитных материалов
в квазипостоянных магнитных полях ............................................................. 86
2.6. Потери мощности на перемагничивание в переменном
магнитном поле ................................................................................................. 91
2.7. Свойства ферромагнитных материалов в магнитных полях
переменной частоты .......................................................................................... 92
2.8. Эффект вытеснения магнитного поля при перемагничивании
ферромагнетиков в переменном поле ............................................................. 97
2.9. Явление магнитной анизотропии и магнитострикции ......................... 101
2.10. Магнитомягкие материалы.................................................................... 104
2.10.1. Технически чистое железо .......................................................... 105
2.10.2. Листовые электротехнические стали .......................................... 107
2.10.3. Пермаллои и альсиферы ............................................................... 110
2.10.4. Магнитомягкие ферриты .............................................................. 113
2.11. Магнитотвердые материалы ................................................................. 113
2.11.1. Сплавы на основе железа-никеля-алюминия ............................. 114
2.11.2. Металлокерамические магниты ................................................... 114
2.11.3. Магнитотвердые ферриты ............................................................ 115
2.11.4. Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ) ................. 115
5
ГЛАВА 3. ПОЛУПРОВОДНИКИ ..................................................................... 116
3.1. Понятие о полупроводниках. Их классификация ................................. 116
3.2. Простые полупроводники ....................................................................... 117
3.3. Бинарные соединения .............................................................................. 124
3.4. Сложные полупроводники ...................................................................... 125
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
................................................ 126
................................................. 128
II BVI
........................................ 133
IV BIV
(халькогениды свинца) ............................................................................. 136
V
3.4.5. Сложные полупроводники типа А
VI
B
2
...................................... 137
3
3.4.6. Оксидные полупроводники ............................................................ 138
3.4.7. Стеклообразные полупроводники ................................................. 139
3.4.8. Органические полупроводники ..................................................... 140
3.5. Электропроводность простых и сложных полупроводников .............. 142
3.6. Фотопроводимость полупроводников ................................................... 144
3.7. Термоэлектрические явления в полупроводниках ............................... 146
3.8. Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках ............................... 148
3.9. Электронно-дырочный переход .............................................................. 150
3.10. Примеры полупроводниковых материалов ......................................... 152
ГЛАВА 4. ПРОВОДНИКИ ................................................................................. 153
4.1. Классификация проводников .................................................................. 153
4.2. Электропроводность металлов ............................................................... 154
4.3. ТермоЭДС проводников .......................................................................... 159
4.4. Материалы высокой проводимости ....................................................... 160
4.4.1. Медь и ее сплавы ............................................................................. 161
4.4.2. Алюминий и его сплавы ................................................................. 166
4.4.3. Железо и его сплавы ....................................................................... 168
4.4.4. Натрий .............................................................................................. 170
4.5. Криопроводники и сверхпроводники..................................................... 170
4.5.1. Криопроводники ............................................................................. 171
4.5.2. Сверхпроводники ............................................................................ 171
4.6. Материалы высокого сопротивления ..................................................... 175
4.6.1. Проводниковые резистивные материалы ..................................... 175
4.6.2. Пленочные резистивные материалы ............................................. 179
4.6.3. Материалы для термопар ............................................................... 182
4.7. Припои, флюсы и контактолы ................................................................ 183
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 188
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цивилизация и материаловедение по определению американского учено-
6
го Хиппеля — это каменный век — 10
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 магнитная
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 дисциплины «Электрическое и конструкционное
материаловедение» студент должен приобрести следующую профессиональную
компетенцию, соотнесенную с общими целями: готовность определять параметры оборудования объектов профессиональной деятельности (ПК-5).
Результат изучения дисциплины:
знать:
– основы материаловедения и технологии конструкционных материалов,
электротехнические материалы в качестве компонентов электротехнического и
электроэнергетического оборудования;
– строение и основные свойства электротехнических и конструкционных
материалов, применяемых при ремонте, эксплуатации и техническом обслуживании оборудования;
– сущность явлений, происходящих в материалах в условиях эксплуа-
тации изделий;
– современные способы получения материалов и изделий из них с за-
данными свойствами;
уметь:
– анализировать структуру и свойства электротехнических и конструк-
ционных материалов;
– строить диаграммы состояния двойных сплавов и давать им харак-
теристики;
– использовать термическую и химико-механическую обработки для по-
лучения требуемых свойств материалов;
– использовать методы обработки материалов;
– применять новейшие достижения в области материаловедения и обра-
ботки материалов;
владеть:
– методиками выполнения расчетов применительно к использованию
электротехнических и конструкционных материалов;
– методами использования основных металлических и неметаллических
материалов в электротехническом производстве, а именно в электрических
машинах, аппаратах, станциях и подстанциях.
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 материа-
лами 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