Электротехнические материалы и технологии

 
 
 
 
 
А. Б. Вольский 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ  
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ 
 
 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.315.61(075) 
ББК 31.234 
 
В71 
 
Рецензенты: 
к. т. н., доц., зав. кафедрой электрооборудования и автоматики судов 
ФГБОУ ВО КГТУ «БГА РФ» Русаков С. М.; 
д. т. н., профессор института физико-математических наук 
и информационных технологий БФУ им. И. Канта Чижма С. Н. 
 
 
 
 
 
 
Вольский, А. Б.  
В71  
 
Электротехнические материалы и технологии : учебник / А. Б. Вольский. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 312 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1584-2 
 
Изложены основы физических процессов, протекающих в электротехнических материалах. Приводится классификация электротехнических материалов и описываются их свойства и технологии производства. 
Отдельное внимание уделено классам изоляции судового электрооборудования и технике безопасности при работе с судовым электрооборудованием, а также способам соединения проводниковых материалов и технологическим процессам пайки. 
Для курсантов и студентов специальности 26.05.07 «Эксплуатация 
судового электрооборудования и средств автоматики» всех форм обучения. 
 
УДК 621.315.61(075) 
 
ББК 31.234 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1584-2 
” Вольский А. Б., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 5 
1. СВОЙСТВА И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ .......................................... 6 
1.1. Общие сведения о строении вещества ......................................... 6 
1.2. Классификация электротехнических материалов ....................... 8 
2. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА  
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ................................................ 14 
2.1. Основные электрические свойства диэлектриков 
..................... 16 
3. ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ ................................................... 28 
3.1. Свойства газообразных диэлектриков 
........................................ 28 
3.2. Характеристики и применение газообразных диэлектриков ... 33 
4. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ ................................................................. 36 
4.1. Классификация и свойства жидких диэлектриков .................... 36 
4.2. Технология изготовления и характеристики  
жидких диэлектриков ......................................................................... 38 
5. ТВЕРДЫЕ И ТВЕРДЕЮЩИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ  
МАТЕРИАЛЫ 
........................................................................................... 45 
5.1. Классификация и свойства твердых диэлектриков 
................... 45 
5.2. Твердые органические диэлектрики 
........................................... 48 
5.2.1. Технология изготовления и характеристики  
полимеризационных синтетических диэлектриков 
.................... 52 
5.2.2. Технология изготовления и характеристики  
поликонденсационных синтетических полимеров 
..................... 60 
5.2.3. Твердеющие электроизоляционные материалы ............... 66 
5.2.4. Технология изготовления и свойства волокнистых  
электроизоляционных материалов 
............................................... 72 
5.2.5. Технология изготовления и характеристики пластмасс .. 83 
5.2.6. Технология производства и свойства  
электроизоляционной резины ...................................................... 89 
5.3. Твердые минеральные электроизоляционные материалы 
........ 91 
5.3.1. Технология изготовления и характеристики  
электроизоляционных материалов на основе стекла ................. 91 
5.3.2. Технология изготовления и характеристики  
электроизоляционных материалов на основе керамики ............ 96 
6. КОНТРОЛЬ ЗА КАЧЕСТВОМ ИЗОЛЯЦИИ ................................... 103 
6.1. Требования к изоляции судового электрооборудования 
........ 103 
6.2. Классификация судового электрооборудования  
по степени защиты ............................................................................ 105 
6.3. Контроль сопротивления изоляции .......................................... 106 
3 
 

6.4. Требования охраны труда при эксплуатации  
судового электрооборудования ....................................................... 111 
7. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
................................................ 124 
7.1. Классификация проводниковых материалов 
........................... 124 
7.2. Основные свойства проводниковых материалов .................... 126 
7.3. Металлы и сплавы высокой проводимости  ............................ 134 
7.4. Благородные и тугоплавкие металлы ....................................... 145 
7.5. Материалы высокого удельного сопротивления 
..................... 152 
7.6. Изделия из проводниковых материалов................................... 163 
8. ПАЙКА И СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВЫХ 
МАТЕРИАЛОВ 
....................................................................................... 189 
8.1. Способы соединения проводниковых материалов 
.................. 189 
8.2. Пайка проводниковых материалов ........................................... 195 
9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
..................................... 207 
9.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах .............. 207 
9.2. Явления в полупроводниках ..................................................... 219 
9.3. Простые полупроводники ......................................................... 225 
9.4. Полупроводниковые соединения 
.............................................. 238 
10. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................................ 257 
10.1. Общие сведения о магнитных материалах ............................ 257 
10.2. Магнитные свойства материалов 
............................................ 262 
10.3. Классификация магнитных материалов 
................................. 268 
10.4. Характеристика магнитомягких материалов ......................... 269 
10.5. Магнитные материалы специального назначения ................ 288 
10.6. Характеристика магнитотвердых материалов ....................... 294 
10.7. Технология изготовления и свойства  
магнитотвердых материалов ............................................................ 296 
Приложение П 1 
...................................................................................... 301 
Приложение П 2 
...................................................................................... 306 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................... 308 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Задачами изучения дисциплины «Электротехнические материалы 
и технологии» являются изучение основных процессов, происходящих 
в электротехнических материалах под действием электрического и магнитного полей, знакомство с основными материалами, применяемыми 
при производстве и эксплуатации судового электрооборудования. 
Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют 
на электротехнические, конструкционные и специального назначения. 
Основные части электрических машин, аппаратов и электротехнических устройств выполнены из специальных электротехнических материалов, обладающих свойствами, отличными от свойств обычных 
конструкционных материалов. 
Электротехническими называют материалы, характеризуемые 
определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю 
и применяемые в технике с учетом этих свойств. Надежность работы 
электрических машин, аппаратов и установок зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Но 
для этого необходимо знать свойства электротехнических материалов и 
их изменения под воздействием электрического напряжения, температуры и других факторов. 
По поведению в электрическом поле (величине удельного электрического сопротивления) материалы подразделяют на проводниковые, 
полупроводниковые и диэлектрические.  
В учебнике представлены теоретические знания, касающиеся электроизоляционных, проводниковых, полупроводниковых и магнитных 
материалов. Рассмотрены физическая сущность явлений, происходящих в каждой группе материалов при взаимодействии с электромагнитным полем, основные электрофизические характеристики электротехнических материалов и влияние на них различных факторов, особенности технологии получения этих материалов и их применение в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, элементах автоматики и 
приборах.  
Также приведены разделы «Контроль за качеством изоляции», который позволяет познакомиться с организацией контроля изоляции судового электрооборудования при эксплуатации и раздел «Пайка и соединение проводниковых материалов», который позволяет познакомиться с технологическим процессом пайки. 
 
 
5 
 

1. СВОЙСТВА И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 
1.1. Общие сведения о строении вещества 
Виды связей 
Для правильного выбора и эффективного использования материалов необходимо знание разнообразия их свойств, которое связано со 
строением вещества. Все известные вещества состоят из элементарных 
частиц: протонов, нейтронов и электронов. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Атом представляет собой систему, состоящую из 
положительно заряженного ядра (протон), вокруг которого вращаются 
отрицательно заряженные электроны. Они притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. 
Расположенные ближе к ядру электроны подвержены большему 
притяжению. Внешние электроны могут отрываться от одного атома и 
присоединяться к другому. Такие электроны называют валентными. 
Атом, потерявший электроны, становится положительно заряженным 
(положительным ионом), а атом, потерявший электроны, становится 
отрицательно заряженным (отрицательным ионом).  
Из атомов строятся молекулы. В веществах объединение нескольких атомов в молекулу достигается за счет электронов, становящихся 
общими для всех атомов. Связи, благодаря которым происходит объединение атомов в молекулы, называются химическими. 
Ковалентные связи возникают между атомами за счет образования 
устойчивых пар валентных электронов разных атомов. Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (Н2, N2), то молекулу 
и ковалентную связь называют неполярными или нейтральными. При 
этом, центры положительных и отрицательных зарядов в электрическом 
поле совпадают по направлению силовых линий (рис. 1.1, а). Если двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, то ковалентную связь называют полярной. При этом, центры зарядов не совпадают 
и находятся на некотором расстоянии друг от друга (рис. 1.1, б). Эти 
молекулы характеризуются величиной дипольного момента равного 
произведению заряда на расстояние между центрами положительных и 
отрицательных зарядов. 
Вещества с ковалентной связью обычно характеризуются твердостью, хрупкостью, тугоплавкостью. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза. Разновидностью ковалентной связи является донорно-акцепторная связь, которая возникает между атомом, способным 
отдать электрон (донор), и атомом, способным присоединить этот электрон (акцептор). Примером таких материалов являются соединения мышьяка – арсениды галлия и индия. 
6 
 

 
 
а) 
б) 
Рис. 1.1. Ковалентные связи: а – нейтральная, б – полярная 
Ионные связи обусловлены силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами (рис. 1.2). Такие 
связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, которые 
имеют в своем составе ионы противоположных знаков (большинство 
солей и некоторые оксиды). 
 
а) 
б) 
Рис. 1.2. Ионная связь: а – плотная; б – не плотная 
Соединения, образованные ионной связью, уступают веществам с 
ковалентной связью по механической прочности. 
Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностью поведения внешних электронов, что также приводит к образованию твердых кристаллических тел. Металлы рассматриваются как 
системы, построенные из положительных ионов, находящихся в узлах 
кристаллической решетки и удерживающие среду свободных электронов (рис. 1.3). Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металла при срезе. Прочность металла обусловлена притяжением между ионами и электронами. Ковкость металла объясняется 
перемещением и скольжением отдельных слоев ионов. 
Молекулярные связи образуются между отдельными молекулами 
в результате электростатического притяжения между зарядами противоположных знаков, которые имеются в молекулах. С помощью таких сил 
образуются молекулы в твердом водороде Н2, азоте N2, углекислом газе 
СО2, и других органических соединениях – полиэтилене, фторопласте. 
7 
 

 
Рис. 1.3. Металлическая связь 
1.2. Классификация электротехнических материалов 
Материалы, применяемые в электронной технике, принято классифицировать на электротехнические, конструкционные и материалы специального назначения.  
Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок. 
Материалы специального назначения применяются в электроэнергетическом оборудовании, которое эксплуатируется в тяжёлых условиях. 
Электротехническими называют материалы, обладающие особыми свойствами по отношению к электромагнитному полю. К ним относятся: проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы. 
В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на 
материалы воздействуют электрические и магнитные поля в отдельности и совместно. Применение тех или иных электротехнических материалов в производстве обусловлено прежде всего их электрическими и 
магнитными свойствами. 
Классификация электротехнических материалов по электрическим свойствам 
Основы зонной теории твердого тела. 
Зонная теория является основой современных представлений о 
процессах, происходящих в твердом кристаллическом веществе при 
воздействии на него электромагнитного поля. Она рассматривает движение валентных электронов в периодическом потенциальном поле 
кристаллической решетки с учетом корпускулярно-волновых свойств 
элементарных частиц. 
Как установлено многочисленными экспериментами, электроны в 
изолированном атоме могут находиться лишь на определенных орбитах, которым соответствуют строго определенные значения энергии – 
энергетические уровни. Согласно принципу Паули, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Под 
8 
 

воздействием притяжения положительно заряженного атома ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. В результате нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние – свободными. 
Некоторые уровни электроны занимают в нормальном невозбужденном состоянии атома, на более высоких энергетических уровнях 
электроны могут находиться в возбужденном состоянии при внешнем 
энергетическом воздействии. После прекращения энергетического воздействия электроны возвращаются на более низкие энергетические 
уровни. Переход электронов с одних энергетических уровней на другие 
происходит дискретно и сопровождается поглощением, либо выделением квантов энергии (рис. 1.4). 
Внутренние электронные оболочки изолированных атомов, как 
правило, заполнены электронами, соответствующие им энергетические 
зоны также оказываются заполненными. Самую внешнюю из заполненных электронами зон называют валентной зоной. Ближайшую к валентной разрешенную зону свободных энергетических уровней называют зоной проводимости. Валентная зона и зона проводимости отделены друг от друга запрещенной зоной – энергетическим барьером, ǻЭ 
(рис. 1.4).  
 
 
а) 
б) 
Рис. 1.4. Схема энергетических уровней:  
а – атома: 1 – уровень невозбужденного атома;  
2 – уровень возбужденного атома;  
б – твердого тела: 1 – валентная зона (заполнена электронами);  
2 – зона проводимости (зона свободных энергетических уровней);  
3 – запрещенная зона 
9 
 

Значение этой зоны влияет на свойства материалов. Принципиальное отличие проводниковых материалов от диэлектриков и полупроводников заключается в различной реакции на внешнее электрическое 
поле, что иллюстрируют энергетические диаграммы (рис. 1.5). 
 
 
а) 
б) 
в) 
Рис. 1.5. Схема энергетических зон:  
а – проводника; б – полупроводника; в – диэлектрика 
В проводниках (металлах) зона проводимости вплотную примыкает к валентной зоне (ǻЭ = 0). Валентная зона не полностью заполнена 
электронами, имеются свободные энергетические подуровни, которые 
с зоной проводимости образуют энергетический спектр свободных 
уровней (рис. 1.5, а). В электрическом поле добавочная энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега, намного превосходит энергетический интервал между уровнями в зоне, и электроны переходят на ближайшие свободные уровни, создавая упорядоченное движение (электрический ток). Этим объясняется высокая проводимость 
металлических материалов. 
В проводниках (металлах) зона проводимости вплотную примыкает к валентной зоне (ǻЭ = 0). Валентная зона не полностью заполнена 
электронами, имеются свободные энергетические подуровни, которые 
с зоной проводимости образуют энергетический спектр свободных 
уровней (рис. 1.5, а). В электрическом поле добавочная энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега, намного превосходит энергетический интервал между уровнями в зоне, и электроны переходят на ближайшие свободные уровни, создавая упорядоченное движение (электрический ток). Этим объясняется высокая проводимость 
металлических материалов. 
10