Электроматериаловедение

А. С. Красько,
С. Н. Павлович,

Е. Г. Пономаренко

Электроматериаловедение

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования,

реализующих образовательные программы профессионально
технического образования

2-е издание, стереотипное

Минск
РИПО

2015

УДК  621.3(075.32)
ББК  31.23я722

К78

Авторы:

кандидат технических наук, доцент А. С. Красько (введение, разделы 1 и 2);
кандидат технических наук, профессор С. Н. Павлович (введение, разделы 3–6);

кандидат технических наук, доцент Е. Г. Пономаренко (разделы 7, 8);

электронное приложение к учебному пособию подготовлено
УО «Витебский государственный профессиональный лицей № 1

машиностроения имени М.Ф. Шмырева».

Р еценз енты:

цикловая комиссия по специальным и общепрофессиональным циклам 

уровня ПТО ГУО «Могилевский профессиональный 

электротехнический колледж» (И. В. Тарасова);

старший преподаватель кафедры «Микро- и наноэлектроника» 
УО «Белорусский государственный университет информатики 

и радиоэлектроники» В. В. Шульгов.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

К78

Красько, А. С.

Электроматериаловедение : учеб. пособие / А. С. Красько, 

С. Н. Павлович, Е. Г. Пономаренко. – 2-е изд., стер. – Минск : 
РИПО, 2015. – 210 с. : ил. 

ISBN 978-985-503-443-9.

В учебном пособии приведены основные свойства и характеристики электро
технических материалов. Рассмотрены назначение, свойства, характеристики 
газообразных, жидких, твердых органических и неорганических диэлектриков; 
электроизоляционные материалы. Описаны основные свойства, классификация 
и применение проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов. 
Раскрыта сущность сверхпроводимости. Рассмотрены основные характеристики, 
марки, назначение вспомогательных материалов. Изложены общие сведения о 
структуре, свойствах, способах получения и обработки металлов и сплавов.

Предназначено для учащихся учреждений профессионально-тех ни ческого 

образования.

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.23я722

ISBN 978-985-503-443-9                                 © Красько А. С., Павлович С. Н.,

Пономаренко Е. Г., 2012

© Оформление. Республиканский институт

            профессионального образования, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Все производимое руками и умом людей оборудование выполняется 

из конкретных материалов. Эти материалы обладают определенными свойствами, характеристиками и параметрами, которые в конечном итоге определяют надежность, долговечность, безопасность, КПД, массогабаритные 
параметры, стоимость, конкурентоспособность и другие показатели изделий. Важнейшие параметры электротехнических изделий во многом определяются не столько их конструктивными и схемными решениями, сколько 
используемыми в них электротехническими материалами – материалами, которые характеризуются определенными свойствами по отношению к 
электромагнитному полю и применяются в технике с учетом этих свойств. 
Одни из них служат для создания в электротехнических устройствах и 
установках необходимого магнитного поля (так называемые магнитные 
материалы), другие – для проведения электрического тока от источников 
электрической энергии к потребителям (проводниковые материалы). Токоведущие части различных видов электрооборудования при работе находятся под напряжением. Поэтому их необходимо изолировать как между собой, 
так и по отношению к нетоковедущим частям оборудования (корпусу и др.), 
что осуществляется с помощью изоляционных (диэлектрических) материалов. Таким образом, электротехнические материалы в соответствии с их назначением и по основным выполняемым функциям в электротехнических 
устройствах и установках разделяют на три основных вида: магнитные, 
проводниковые и изоляционные.

Кроме конкретных электромагнитных, электротехнические материалы 

должны обладать и целым рядом других свойств: механической прочностью, 
нагревостойкостью, стойкостью по отношению к химическим реакциям, 
определенными технологическими свойствами (например, способностью более или менее легко поддаваться механической обработке) и др. Правильный 
выбор электротехнических материалов с учетом их конкретных свойств при 
изготовлении (а также при монтаже и последующих ремонтах) различного 
электрооборудования обуславливает его надежную работу.

Промежуточное положение по электропроводности между проводни
ками и диэлектриками занимают полупроводниковые материалы, которые 

Введение

используются для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Их главными показателями являются чистота исходного материала и возможность получения изделий с высокой степенью 
интеграции различных функциональных схем.

Кроме электротехнических материалов в электрооборудовании ис
пользуются еще конструкционные и вспомогательные материалы.

Конструкционные материалы предназначены для изготовления кор
пусов электрических машин, аппаратов и приборов и для крепления различных деталей, узлов и элементов. Они должны обеспечивать прочность 
конструкции в условиях мощных электромагнитных полей. Для их изготовления в основном применяют железо, чугун и конструкционные стали.

К вспомогательным материалам относят различные припои и флюсы, 

используемые для соединения проводников методом пайки (это в основном 
материалы на основе меди, олова, свинца и цинка), клеи (на основе синтетических эпоксидных смол) и вяжущие составы (на основе цемента).

Совершенствование и развитие электромашиностроения, аппарато- и 

приборостроения идет по пути разработки новых видов электротехнических материалов, обладающих улучшенными характеристиками. Например, разработка новых видов магнитных материалов позволила значительно уменьшить габариты электрических машин и повысить их мощность на 
единицу веса; новые изоляционные материалы с высокими значениями диэлектрической проницаемости, электрического сопротивления и пробивного 
напряжения обусловили создание новых конденсаторов большой емкости 
с повышенной реактивной мощностью, позволяющих работать в установках с более высокими рабочими напряжениями; применение более нагревостойкой изоляции электрических машин позволило увеличить их мощность на единицу веса и повысить надежность; производство проводов с 
механически прочной эмалевой изоляцией обеспечило лучшее исполнение 
в конструктивном плане различных видов электрооборудования (общепромышленных и специальных электрических машин, катушек электрических 
аппаратов и др.). 

В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные 

исследования в междисциплинарной области науки – нанотехнологии, в 
которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров (1 нанометр = 1∙10-9 м). 
Такие исследования выполняются с целью управления отдельными атомами, молекулами и их системами для создания новых молекул, наноструктур, наноустройств и наноматериалов, обладающих специальными (новыми, более высокими) физическими и химическими свойствами.

1
РАЗДЕЛ

осНоВНыЕ хАРАктЕРИстИкИ
эЛЕктРотЕхНИчЕскИх мАтЕРИАЛоВ 

1.1. кРАткИЕ сВЕДЕНИя о стРоЕНИИ ВЕщЕстВА

Все вещества, простые и сложные, состоят из молекул и 

атомов. Молекулой называется наименьшая частица вещества, 
сохраняющая его свойства (она состоит из двух или более атомов). Атом – наименьшая частица элемента, которая сохраняет 
его химические характеристики. Химический элемент – составная часть вещества, построенная из одинаковых атомов. Если 
вещество состоит из одинаковых атомов, оно называется простым (медь, олово, цинк и т. д.). Молекулы сложных веществ 
состоят из атомов различных химических элементов, например, поваренная соль состоит из атомов хлора и атомов натрия, 
молекула воды содержит атомы водорода и атомы кислорода.

Физический состав элементов соединений называется смесью. 

Например, соленая вода состоит из соли и воды, воздух – из 
кислорода, азота, углекислого и других газов.

Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Про
тоны заряжены положительно, электроны – отрицательно, а 
нейтроны не имеют электрического заряда. Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента, 
равным номеру элемента в периодический таблице Д.И. Менделеева. Каждый элемент имеет также атомную массу, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре 
(масса электрона составляет лишь 1/1836 часть от массы протона, поэтому ее можно не учитывать).

Электроны вращаются вокруг ядра по расположенным на 

различных расстояниях орбитам. Каждая орбита называется
оболочкой. Оболочки обозначаются буквами К, L, M, N и т. д. 

Раздел 1. Основные характеристики электротехнических материалов

Оболочки заполняются электронами постепенно, по мере увеличения атомного номера элемента: сначала оболочка К, затем 
L, M и т. д. Максимальное количество электронов, размещаемых на отдельных оболочках, следующее:

K – 2;
L – 8;
M – 18;

N – 32;
O – 32;

P – 14;
Q – 2.

Рассмотрим строение атома на примере алюминия, имею
щего в таблице Д.И. Менделеева № 13 и атомную массу 27. 
Ядро атома алюминия содержит 13 протонов и 14 нейтронов 
(13 + 14 = 27). Электроны (их 13) размещены на оболочках так: 
K – 2 электрона, L – 8 и М – 3.

Внешняя оболочка называется валентной, а количество 

электронов на ней определяет валентность атома (вещества, 
элемента). Электроны отталкиваются друг от друга и притягиваются к ядру. Электроны, расположенные ближе к ядру, притягиваются сильнее и ослабляют притяжение внешних электронов, находящихся на больших расстояниях от ядра. У разных 
веществ атомы содержат разное число валентных электронов. 
Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. 
При этом потенциальная возможность атома присоединять или 
терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Если валентные электроны получают дополнительную 

энергию от внешних сил, то они могут становиться свободными, произвольно перемещаясь от атома к атому. 

В зависимости от строения внешних электронных оболо
чек атомы могут образовывать различные связи.

Ковалентная связь. Такой вид связи возникает при пере
крывании электронов двух соседних атомов (рис. 1.1). Он характерен для молекул H2, O2, CO и других газов.

Рис 1.1. Ковалентная связь в молекуле водорода

1.1. Краткие сведения о строении вещества

Если центры одинаковых по величине положительных и 

отрицательных зарядов молекулы совпадают, то такие молекулы называются неполярными.

Если же в отрицательных молекулах центры противопо
ложных по знаку зарядов не совпадают, находятся на некотором расстоянии, то такие молекулы называются полярными 
(дипольными). Полярные молекулы характеризуются дипольным моментом:

p = ql,

где q – абсолютное значение заряда, Кл; l – расстояние между 
центрами положительного и отрицательного зарядов, м.

Многоатомные молекулы будут неполярными, если заряды 

расположены симметрично, и полярными при несимметричном 
расположении зарядов (рис 1.2).

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Cl

H

H

H

Cl

l

Рис. 1.2. Схема многоатомной молекулы: а – неполярного полиэтилена; 

б – полярного поливинилхлорида

Ковалентные связи наблюдаются в органических и не
органических веществах в различных агрегатных состояниях 
(газообразном, жидком, твердом).

Разновидностью ковалентной связи является донорно-ак
цепторная связь. Она возникает между атомами, способными 
отдать электрон (донорами), и атомами, способными принять 
электрон (акцепторами).

Ионная связь. Ионная связь обусловлена силами притяже
ния между положительными и отрицательными ионами. 

Такая связь характерна для металлов, неметаллов и неор
ганических диэлектриков. Твердые тела с ионной связью обладают высокой температурой плавления и повышенной механической прочностью.

Металлическая связь. Этот вид связи возникает между 

положительными ионами, расположенными в узлах кристал
а
б

С
С
С
С
С
С
С
С
l

Раздел 1. Основные характеристики электротехнических материалов

лической решетки, и окружающими их свободными электронами (рис 1.3).

ион
электрон

Рис. 1.3. Строение металлического проводника

Благодаря наличию свободных электронов такие матери
алы обладают высокими электро- и теплопроводностью. Металлическая связь определяет монолитность, прочность и пластичность металла. 

Молекулярная связь, или связь Ван-дер-Ваальса. Молеку
лярная связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. 
Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловлено согласованным (синхронным) движением электронов в соседних 
молекулах (рис. 1.4).

Молекула I
Молекула II

Рис. 1.4. Схематическое изображение двух взаимодействующих молекул

Благодаря тому, что в любой момент времени электроны 

максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам, силы притяжения валентных 
электронов положительными зарядами соседних молекул пре
Молекула I       Молекула II

ион 
      электрон

1.2. Строение твердых тел

восходят силы взаимного отталкивания электронов внешних 
оболочек. Такие связи характерны для материалов, имеющих 
низкую температуру плавления (например парафин), и свидетельствуют о непрочности их структур. 

1.2. стРоЕНИЕ тВЕРДых тЕЛ

Все твердые вещества подразделяются на кристалличе
ские, аморфные и аморфно-кристаллические.

Кристаллические вещества. В кристаллических веществах 

расположение атомов, ионов и молекул характеризуется периодической повторяемостью в трех измерениях. Такая структура 
(кристаллическая решетка) описывается параметрами элементарной ячейки – координатами в ячейке элементарных частиц, 
образующих твердые тела. В элементарной ячейке содержится 
наименьшее число элементарных частиц. Простейшим ее типом является куб (рис. 1.5, а), но могут быть и другие.

Для описания структуры кристаллических тел пользуются 

понятием пространственной кристаллической решетки – сетки, в узлах которой расположены частицы, образующие твердое тело (рис. 1.5, б).

б
а
Рис. 1.5. Элементарная кубическая ячейка (а); схематическое двухмерное 

изображение кристаллической кубической решетки (б)

В узлах кристаллической решетки могут находиться ней
тральные атомы (ковалентные решетки); положительные и 
отрицательные ионы (металлические решетки), в промежутке 
между которыми находятся свободные электроны; молекулы 
(молекулярные решетки).

а
б

Раздел 1. Основные характеристики электротехнических материалов

Различные вещества образуют кристаллы определенной 

формы. Порядок взаимного расположения атомов в кристалле 
может быть различным.

Под параметрами решетки понимают расстояние между 

ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Эти расстояния измеряются 
в ангстремах (1 Å = 10-10 м).

В силу того что плотность атомов в различных направ
лениях кристаллической решетки неодинакова, кристаллические вещества обладают различными свойствами в отдельных 
направлениях – анизотропией. Например, предел прочности 
на растяжение (сжатие) будет зависеть от того, как направлено 
усилие по отношению к осям кристаллической решетки.

В сплавах, которые содержат большое число кристаллов, 

анизотропия отсутствует, так как кристаллические решетки 
по-разному ориентированы в пространстве.

В кристаллических решетках много точечных, поверхност
ных, линейных и объемных дефектов. Причиной их появления могут быть условия кристаллизации, наличие примесей, 
воздействие напряжений и др.

По структуре кристаллические материалы подразделяются: 
• на монокристаллические – однородные анизотропные 

тела, у которых атомы по всему объему расположены в правильном порядке, а кристаллическая решетка состоит из одинаковых кристаллических ячеек;

• поликристаллические – изотропные материалы, состоя
щие из большого количества сросшихся кристаллов, которые 
хаотически ориентированы в различных направлениях.

Поликристаллические материалы с помощью специальной 

обработки (прокатки, отжига, намагничивания и др.) можно 
сделать анизотропными. Материалы с такими искусственными свойствами называются текстурами. 

К поликристаллическим материалам относятся металлы и 

многие керамические материалы.

Все кристаллические вещества обладают определенной 

температурой плавления (Тпл). При ее достижении амплитуда 
колебаний атомов увеличивается настолько, что происходит 
разрушение кристаллической решетки и переход вещества в 
жидкое состояние.