Материаловедение для электриков в вопросах и ответах

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ю.В. ЦЕЛЕБРОВСКИЙ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ДЛЯ ЭЛЕКТРИКОВ

В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.315.5/.61(075.8)

Ц 341

Рецензенты:

канд. техн. наук  доц. А.М. Погорельский (НГТУ);

д-р техн. наук  проф. А.Ф. Бернацкий (НГАСУ–Сибстрин)

Работа подготовлена в учебно-научной лаборатории электротехнического мате
риаловедения для студентов II курса направлений 149200, 140600 и специальности 
280101 ФЭН и ФМА (очная и заочная формы обучения)

Целебровский Ю.В.

Ц 341 
Материаловедение для электриков в вопросах и ответах: учеб. пособие – Но
восибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – 64 с.

ISBN 978-5-7782-1309-8

В учебном пособии в краткой форме даны основные понятия электротехнического 

материаловедения, приведены определения тепловых, электрических и механических 
параметров материалов, дается оценка основных классов материалов, применяемых в 
электроэнергетике и электротехнике. В пособии также приводятся числовые характеристики различных материалов, рассматриваются вопросы их долговечности. Форма изложения позволяет продуктивно готовиться к зачету по курсу и вспомнить основные 
понятия, изученные ранее в курсах физики и химии.

УДК 621.315.5/.61(075.8)

ISBN 978-5-7782-1309-8
© Целебровский Ю.В., 2010
© Новосибирский государственный

технический  университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .....................................................................................................................................
4

1. Строение и основные свойства материалов.........................................................................
5

1.1. Основные сведения о строении вещества ...................................................................
5

1.2. Тепловые свойства материалов....................................................................................
9

1.3. Основные электромагнитные свойства материалов...................................................
10

1.3.1. Удельное электрическое сопротивление..........................................................
10

1.3.2. Диэлектрическая проницаемость......................................................................
12

1.3.3. Магнитная проницаемость................................................................................
16

1.4. Основные механические свойства материалов...........................................................
20

2. Характеристики различных классов материалов, применяемых в электроэнергетике 

и электротехнике....................................................................................................................
24

2.1. Материалы для механических конструкций...............................................................
24

2.1.1. Сталь и чугун......................................................................................................
24

2.1.2. Бетон....................................................................................................................
26

2.1.3. Титан ...................................................................................................................
27

2.2. Диэлектрики (электроизоляционные материалы) ......................................................
28

2.2.1. Общая характеристика диэлектриков...............................................................
28

2.2.2. Диэлектрические потери ...................................................................................
28

2.2.3. Электрическая прочность диэлектриков..........................................................
30

2.2.3.1. Общие положения................................................................................
30

2.2.3.2. Механизм электрического пробоя газов............................................
31

2.2.3.3. Механизм электрического пробоя жидкости ....................................
32

2.2.3.4. Механизм электрического пробоя твердых тел ................................
33

2.3. Полупроводники (слабопроводящие материалы).......................................................
35

2.3.1. Общие свойства полупроводников...................................................................
35

2.3.2. Полупроводящие материалы, применяемые в электроэнергетике................
36

2.4. Магнитные материалы ..................................................................................................
38

2.4.1. Свойства магнитных материалов......................................................................
38

2.4.2. Виды магнитных материалов............................................................................
40

2.5. Проводниковые материалы .........................................................................................
42

2.6. Сверхпроводники ..........................................................................................................
44

3. Долговечность материалов....................................................................................................
46

3.1. Понятие о старении материалов...................................................................................
46

3.2. Коррозия материалов ....................................................................................................
46

Заключение.................................................................................................................................
48

Словарь основных терминов.....................................................................................................
49

Библиографический список ......................................................................................................
63

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – это обширнейшая наука,  без результатов которой невозмо
жен технический прогресс. В кратком учебном пособии нельзя даже охватить все 
проблемы, понятия и методы материаловедения. Автор поставил перед собой весьма 
узкую задачу – дать студентам-электрикам основные понятия, касающиеся тех классов материалов, которые применяются в электроэнергетике и электротехнике. Это 
материалы для генераторов и двигателей, линий электропередачи и контактной сети, 
трансформаторов, выключателей, ограничителей перенапряжений и множества других электрических аппаратов и устройств. Особенность  применения материалов в 
названных областях состоит в том, что эти материалы одновременно испытывают 
воздействие сильных электромагнитных полей, тепла и существенных механических 
нагрузок.

При таком комплексном воздействии поведение материалов определяется всей со
вокупностью их тепловых, электрических и механических свойств, что, в свою очередь, сказывается на надежности и долговечности устройств и конструкций. Все аварии в энергосистемах, все повреждения оборудования происходят главным образом 
из-за того, что материалы не выдерживают тех или иных воздействий. Кроме того, 
специалисты, проектирующие, сооружающие и эксплуатирующие эти устройства и 
конструкции, зачастую не владеют глубоко и комплексно необходимыми для этого 
знаниями.

Опыт автора в преподавании материаловедения для электроэнергетиков и элек
тротехников показывает, что иногда, приступая к изучению материаловедения, студент еще не усвоил в должной мере основные понятия и законы физики и химии. Материаловедение – это первый общеинженерный предмет, и его освоение невозможно 
без базы, которая закладывается при изучении общеобразовательных дисциплин. Поэтому в настоящем пособии предложены такие форма и содержание материала, которые позволяют вспомнить и основные понятия фундаментальных дисциплин. 

Пособие не претендует на глубину и полноту изложения электротехнического ма
териаловедения. Дополнением к нему служат пособия по практическим заданиям [1] 
и лабораторным работам [2]. Основные знания можно получить из  учебников и справочников, представленных в списке литературы [3–9].

Учебное пособие содержит словарь основных терминов и понятий, которые в тек
сте выделены курсивом. При составлении словаря использовались справочники и энциклопедии [10–14], куда автор рекомендует заглядывать и студентам.

1. СТРОЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Все вещества в конечном итоге состоят из элементарных частиц, 

среди которых в первую очередь следует упомянуть электроны, протоны, нейтроны и образованные ими ионы, атомы и молекулы. Студенты-электрики должны твердо знать, что и эти простейшие образования и вещество в целом своими свойствами обязаны закону Кулона, 
определяющему взаимодействие между заряженными частицами (частицами, обладающими таким свойством, как электрический заряд). 
Силы закона Кулона и образуют связи в веществе, определяющие все 
свойства материала. Виды связей могут быть самыми разнообразными, 
но наиболее типичными и распространенными являются четыре из 
них, представленные ниже.

 Металлическая, обусловленная большой концентрацией сво
бодных электронов, образующих «электронный газ», в котором на определенных расстояниях друг от друга (в узлах кристаллической решетки) удерживаются положительные ионы. Примеры материалов: 
металлы, сплавы.

 Ковалентная, обусловленная «обобществлением» электронов 

двумя или несколькими атомами. Примеры материалов: водород¸ 
хлор, алмаз.

 Ионная, обусловленная передачей валентных электронов од
ного атома другому и образованием вследствие этого положительного и отрицательного ионов, взаимоудерживаемых электростатическими силами. Примеры материалов: поваренная соль, щелочи, кислоты.

Межмолекулярная (Ван-дер-Ваальса), определяемая взаимодейст
вием поляризованных молекул или мгновенных молекулярных диполей. 
Примеры материалов: сжиженные газы, полимеры

1. Назовите 
четыре основных вида химической связи

Кроме этого  существует большое число разновидностей и проме

жуточных видов связи, обладающих признаками двух или более из 
указанных. Пример: водородная связь, объясняемая слабой связью 
между протоном и электроном в атоме водорода, в результате чего 
электрон смещается к близко расположенному электроотрицательному 
(с большим сродством к электрону) атому. Следствием является связь 
атомов и молекул между собой. Примеры материалов: вода.

2. Ч т о
т а к о е  
энергия 
связи?

Наиболее общей характеристикой взаимодействия (связи) является 

энергия связи. Энергия связи равна работе, необходимой для разрыва 
этой связи и разнесения взаимодействующих частиц на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь.

Ориентировочные значения энергии связи:

для металлической связи …………(1…4)105 Дж/моль
ковалентной связи …………………10 6 Дж/моль
ионной связи ………………………. 10 6 Дж/моль
межмолекулярной связи …………...10 3 Дж/моль.

Вид химической связи оказывает определяющее влияние на различ
ные свойства вещества. При металлической связи большое число и 
«обобществленность» свободных электронов обусловливают высокую 
электропроводность и теплопроводность металлов, отражение ими 
электромагнитного поля (блеск и непрозрачность), пластичность.

При ковалентной связи наблюдается, как правило, большая ме
ханическая прочность материалов  (алмаз).

Материалы с ионной связью в большинстве случаев хорошо рас
творяются в воде, молекулы которой представляют собой диполи, и, 
взаимодействуя с ионами, разделяют их (сольватация); для таких материалов характерно проявление хрупкости.

Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в 

слабой механической прочности, отсутствии определенной температуры плавления, сложности и многообразии строения материала.

Наибольшее значение вид и характер химических связей имеют в 

твердых телах. В первую очередь они обусловливают строение твердого тела. Можно выделить три типа характерного строения твердых тел.

3. Какие
в и д ы
строения 
твердых 
те л вы
знаете?

Аморфное – характеризуется наличием ближнего и отсутствием 

дальнего порядка в строении, изотропией свойств и отсутствием точки 
плавления.

Кристаллическое – характеризуется периодической повторяемо
стью строения в трех измерениях (многомерный дальний порядок), 
наличием точки плавления и (в большинстве случаев) анизотропией
свойств.

Полимерное – характеризуется большой молекулярной массой, 

одномерным дальним порядком (ориентированное состояние), способностью к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, отсутствием точки плавления.

Тела с кристаллическим строением, как правило, имеют нарушение 

в порядке строения. Эти нарушения называются дефектами.

Дефектом называется отклонение от идеального периодического 

строения кристаллического тела. Дефекты подразделяются на 4 группы.

Точечные: вакансии, замещенные атомы, междоузлия, центры ок
раски (комбинация вакансии с электроном проводимости или дыркой).

Линейные – дислокации (линейный набор точечных дефектов), 

которые могут являться местом скопления примесей.

Поверхностные – границы между разориентированными участка
ми кристаллов, доменов. Зачастую это ряды и сетки дислокаций.

Объемные – скопление вакансий, образующее поры и каналы, ско
пление выделений из пересыщенного расплава, скопление  посторонних включений.

4.Назовите
основные
д е фе кты
в строении 
кристаллических тел

Дефекты в кристаллах вызывают упругие искажения структуры и 

внутренние механические напряжения. Это снижает механические 
прочностные показатели материала. Дефекты изменяют в ту или 
иную сторону электромагнитные свойства материала  и могут оказаться в одних случаях полезными, а в других – вредными. На тепловые характеристики материала дефекты в кристаллах оказывают 
меньшее влияние, чем на механические и электромагнитные характеристики.

Материалы, применяемые в электротехнике и электроэнергетике, 

могут состоять из одного вещества либо представлять соединение или 
смесь нескольких веществ. Среди последних широко распространены 
сплавы и композиционные материалы.

5. Определите роль
дефектов
кристаллической
р е ш е тк и
в формир ов а ни и
с в о й с т в
материала

Сплав – макроскопически однородное вещество, получаемое 

сплавлением двух либо более металлов, неметаллов, окислов, органических веществ и т. п. Особенно важную роль в технике играют металлические сплавы. Сплав не является механической смесью компонентов. При сплавлении компоненты могут образовывать:

 твердые растворы;
 химические соединения;
 смеси фаз – эвтектики;
 продукты различных превращений.

6. Ч т о
та к о е
сплав?

7. Что такое
Композиционным материалом называется материал, состоящий из