Электроматериаловедение

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
Е. Е. ПРИВАЛОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  
 
 
 
 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ставрополь  
«АГРУС» 
2012 

УДК 621.3 
ББК 31.2 

П75 

Рецензенты: 

кандидат технических наук, доцент И. Н. Воротников; 

кандидат технических наук, доцент Э. К. Шарипов

(кафедра теоретических основ электротехники СтГАУ) 

Привалов, Е. Е. 

Электроматериаловедение : учебное пособие / Е. Е. Привалов ; Ставропольский

государственный аграрный университет. – Ставрополь : АГРУС, 2012. – 196 с.  

Изложены основы материаловедения для диэлектрических, проводниковых, 

полупроводниковых и магнитных материалов электроустановок систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов. Приведены электрические, тепловые, 
механические и другие характеристики проводников, диэлектриков, полупроводников и магнитов, даны области применения материалов в электроустановках различного назначения. Даны вопросы к зачёту. 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям: 

110300.62, 110302.65, 140200.62, 140211.65, 140211, 140400.62, 210300.62, а также
лаборантов, мастеров производственного обучения, аспирантов и преподавателей. 

УДК 621.3  

ББК 31.2 

Публикуется в авторской редакции

Главный редактор И. А. Погорелова
Заведующий издательским отделом А. В. Андреев

Подписано в печать 26.06.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. 
Гарнитура «Times». Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,4. Тираж 50 экз. Заказ № 175. 

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93-953000 

Издательство Ставропольского государственного аграрного университета «АГРУС», 
355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12. Тел/факс: (8652) 35-06-94. 
Е-mail: agrus2007@mail.ru. 

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302. 

©
Привалов Е. Е., 2012  

©
ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный
аграрный университет, 2012  

П75 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В учебных курсах «Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение» общепрофессионального и профессионального циклов рассмотрены свойства материалов в электромагнитном поле электроустановок низкого, среднего и 
высокого напряжения, являются одними из основных, читаемых при подготовке бакалавров, инженеров и агроинженеров.  
Все вещества в природе по поведению в электрическом и магнитном 
полях условно делят на четыре класса: проводники, полупроводники, диэлектрики и магниты. В первой главе учебного пособия рассматривается 
класс проводников электрического тока с последующим изучением в других частях свойств полупроводников, диэлектриков и магнитов. Методика 
пособия позволяет лучше понять систему логических связей с точки зрения последовательности изучения свойств новых конструкционных и 
электротехнических материалов, введения новых терминов. 

Изложение учебного материала дисциплины построено по единой 

схеме, включающей в себя раскрытие физической сущности явлений и процессов, происходящих в конструкционных и электротехнических материалах при их взаимодействии с электрическими и магнитными полями электроустановок. Изучение электрических свойств электротехнических материалов в типовых условиях эксплуатации электроустановок напряжением 
до и выше 1кВ, а также обзор наиболее важных областей применения материалов в электротехнических изделиях.  

Поскольку учебные курсы являются базой для многих специальных 

дисциплин инженерного и агроинженерного профиля, то научнометодическое содержание пособия направлено на формирование у будущих специалистов принципов инженерного подхода к оценке возможностей выбора конструкционных и электротехнических материалов для элементов электроустановок, правильного монтажа и эксплуатации оборудования объектов различного назначения. 
Научно-технических прогресс в различных областях народного хозяйства связан с разработкой и использованием новых, более совершенных материалов, особенно проводниковых, полупроводниковых и электроизоляционных. Надежность, экономичность, стойкость к перепадам 
температур, ударам, вибрациям и другим вредным воздействиям на 
электротехнические изделия и оборудование определяются не столько 
конструкцией, сколько использованными в электроустановках материалами. История развития цивилизации показывает, что все важные эпохи 
были названы по материалам, которые являлись в то время определяющими: каменный, медный, бронзовый и железный века. Возможно, что 

последующие эпохи будут названы нашими потомками пластиковым и 
керамическим веками.  
Необходимым условием успешного развития народного хозяйства 
является разработка и внедрение высококачественных электротехнических материалов. Электроснабжение и автоматизация систем объектов 
сельскохозяйственной отрасли не является исключением. Электроснабжение наряду с другими видами снабжения сельского хозяйства предъявляет высокие требования к качеству и надежности используемых конструкционных, проводниковых, изоляционных, полупроводниковых и 
магнитных материалов. Для выполнения поставленных перед электроматериаловедением требований необходимо сотрудничество многих отраслей промышленности и сельского хозяйства. Поэтому наука об электротехнических материалах представляет собой типичную комплексную 
научную дисциплину, то при подготовке дипломированных бакалавров, 
инженеров и агроинженеров должно уделяться большое внимание. 
Научной задачей материаловедения, в части технологии конструкционных материалов, особенно в электроматериаловедении, является 
обеспечение возможности создания современных систем электроснабжения на основе требуемых электротехнических материалов для использования в народном хозяйстве. 
Техническая задача систем электроснабжения состоит в уменьшении размеров и массы отдельных электроустановок при одновременном 
увеличении надежности всех систем объекта в целом. Для решения задачи есть различные пути, где основным является комплексная модернизация существующих электроустановок за счет применения изделий 
из современных конструкционных и электротехнических материалов. 
Целью дисциплины является приобретение студентами знаний в 
области основных электротехнических материалов применяемых в электрооборудовании. Задачи дисциплины состоят в изучении природы и 
физико-химических характеристик основных групп электротехнических 
и конструкционных материалов, а также физического смысла показателей и параметров электротехнических материалов. Третьей задачей является приобретение навыков работы с государственными и отраслевыми стандартами и справочниками для выбора требуемых конструкционных и электротехнических материалов. 
Дисциплина «Электроматериаловедение» является базовой для 
изучения таких общепрофессиональных и профессиональных дисциплин 
как - «Электрические машины», «Электрические аппараты», «Монтаж 
электрооборудования», «Ремонт электрооборудования», «Электроснабжение», «Эксплуатация электрооборудования» и т.д.  

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОТEХНИЧЕСКИЕ 
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК  
 
 
1.1. Классификация, области применения и требования  
 
 
к материалам электрооборудования на основе металлов 
 
Материалы, применяемые в электроустановках, условно подразде
ляют на три группы: электротехнические, конструкционные и специального назначения. 

Электротехническими называют материалы, характеризуемые опре
деленными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. 

Основными конструкционными материалами являются металлы и 

металлические сплавы, которые постепенно в электротехнике вытесняются неметаллическими материалами, например, пластмассами и полимерами. 
Под металлами в технике понимают вещества, обладающие металлическим блеском, высокой пластичностью, прочностью, тепло- и электропроводностью. Однако такими свойствами обладают не только чистые металлы, но и металлические сплавы, состоящие из нескольких металлов. Поэтому в электротехнике металлические сплавы также можно 
называть металлами, имея в виду их общие характерные свойства. 
Несмотря на достигнутые в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.), основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и 
металлические сплавы. 

Материалы специального назначения применяются в электрообо
рудовании, которое эксплуатируется в тяжёлых условиях, например, в 
космосе. Практически различные материалы подвергаются воздействиям 
как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупности. 

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы под
разделяют на две группы - сильномагнитные и слабомагнитные. Первые 
нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным 
свойствам. 

Электротехнические материалы. По поведению в электрическом по
ле материалы подразделяют на три группы: проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические. Большинство электротехнических материалов 
можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и 
среди сильномагнитных следует различать проводящие, полупроводящие и 
практически непроводящие. 

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим 

свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их 
применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной 
температуре. 

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удель
ной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами. Их отличительным свойством является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации вида примесей или 
различных дефектов, а также от внешних энергетических воздействий 
(температуры, освещенности и т.п.). 

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим 

свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Диэлектрик ближе к 
идеальному материалу, если у него удельная проводимость стремится к 
минимуму и слабо выражены механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты. При применении диэлектриков - одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов - четко определилась необходимость использования 
как пассивных, так и активных свойств этих материалов. 

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, ко
гда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических 
зарядов и с их помощью отделяют электрические цепи электроустановок 
друг от друга. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора электрической цепи, то желательно, чтобы этот материал имел 
большую диэлектрическую ·проницаемость. 

Активными (управляемыми) диэлектриками являются особые мате
риалы электроустановок - сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры и др.  

На практике к проводникам относят группу материалов с удельным 

электрическим сопротивлением ρ  < 10 -5 Ом·м, а к диэлектрикам - материалы, у которых ρ  > 10 4 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их 
эксплуатации может изменяться в пределах 10 -5 - 10 8 Ом·м. Известно, что 
хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 
химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем 
двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но 
кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, 
сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников 

или диэлектриков Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно.  
Области применения металлов и металлических сплавов в электротехнике очень разнообразны, остановимся на некоторых из них. Стали и 
чугуны являются основными конструкционными материалами, применяемыми в электротехнической промышленности (станины электрических машин, опоры линии электропередач, корпуса трансформаторов с 
масляным и воздушным охлаждением и др.). 
 Специальные электротехнические стали необходимы для изготовления магнитопроводов трансформаторов, сердечников электрических 
машин и аппаратов. Промышленность страны выпускает марки листовой электротехнической стали с различными магнитными и электрическими свойствами. Данные стали очень чувствительны к деформации. 
Резка, штамповка и другие технологические операции ухудшают магнитные свойства стали вблизи мест наклепа. 
Цветными сплавами являются все сплавы кроме сплавов сталей и 
чугунов. Среди них сплавы алюминия и сплавы меди нашли самое широкое применение в качестве электротехнических материалов при изготовлении электрических машин, трансформаторов (обмотки, токосъемные механизмы) и электрической проводки (кабели, провода, шнуры).  
Требования к конструкционным материалам на основе железа и 
его сплавов, а также цветных сплавов определяются исходя из назначения данных материалов. В наше время новые конструкционные и электротехнические материалы редко могут появляться в результате удачного опыта. Необходимо предварительное изучение физических, механических и химических характеристик таких веществ, которые могли бы 
быть использованы в качестве требуемых технических материалов.  
Для понимания электрических и магнитных свойств, механической 
прочности и других их особенностей необходимо исследовать структуру 
и химический состав электротехнических материалов на основе металлов. Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоящее время 
широко признана во многих областях техники и промышленности Успехи 
материаловедения позволили перейти от использования уже известных к 
целенаправленному созданию новых электротехнических материалов с заранее заданными свойствами, например, графена. 
 
 
 

1.2. Особенности строения твердых тел 

Большинство материалов представляют собой твердые тела. Поэто
му особое внимание уделяется строению вещества в этом состоянии. 

Кристаллы. Представлению о порядке в мире атомов отвечает кри
сталлическая решетка с периодическим электростатическим полем. Периодичность структуры является наиболее характерным свойством кристаллов. В периодической решетке можно выделить элементарную ячейку, 
транслируя которую в пространстве легко получить представление о 
структуре всего кристалла. Образование каким-либо элементом или соединением определенной пространственной решетки в основном зависит от 
размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек.  

Русский ученый Е. С. Федоров почти за 40 лет до того, как были 

разработаны методы рентгеноструктурного анализа, теоретически рассчитал расположения частиц в кристаллических решетках различных веществ. Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных 
решеток, являющихся основой шести кристаллических систем, приведенных на рисунке 1.1 и в таблице 1.1. 

Рисунок 1.1 – Пространственные решетки кристаллических систем  

Таблица 1.1 – Пространственные решетки основных кристаллических систем  

 

№ 

 
Кристаллическая 
система 

 
Пространственная 
решетка 

Соотношение 
между осевыми 
углами и осевыми единицами  
 

1 
Триклинная 
І – простая  
 
a ≠ b ≠ c, 
α ≠ β≠ γ=90° 
 

2 

Моноклинная 
ІІ – простая  
 
ІІІ – базоцентрированная 
  

a ≠ b ≠ c, 
 
α = β = γ=90°; 
β ≠ 90°; 

3 

Ромбическая 
ІV – простая  
 
V – базоцентрированная  
VІ – объемноцентрированная  
VІІ – гранецентрированная   

a ≠ b ≠ c, 
 
α = β= γ=90° 

4 

Гексагональная 
VІІІ – простая  
 
ІΧ – ромбоэдрическая  

a = b ≠ c, 
 
α = β= γ=120° 

5 

Тетрагональная 
Χ – простая  
 
ΧІ - объемноцентрированная  
 

a = b ≠ c, 
 
α = β= γ=90° 

6 

Кубическая 
ΧІІ – простая  
 
ΧІІІ объемноцентрированная  
ΧІІV - гранецентрированная  
 

a = b = c, 
 
α = β= γ=90° 

Иногда считают ромбоэдрическую, или тригональную, систему са
мостоятельной седьмой системой. Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных кристаллов - монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен). Монокристаллы характеризуются анизотропией свойств. В поликристаллических телах 
анизотропия в большинстве случаев не наблюдается. Промежуточным является блочное строение твердого тела. При определении электрических, 
механических и других свойств монокристаллов надо указывать расположение кристаллографических плоскостей и направления в кристаллах.  

Дефекты в строении кристаллических тел. Кристаллов с идеально 

правильным строением в природе не существует. В реальных условиях 
всегда наблюдаются те или иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие отклонения принято называть дефектами  структуры. 
Их условно подразделяют на две группы: динамические (временные) и 
статические (постоянные). 

Динамические дефекты в материалах возникают при механических, 

тепловых и электромагнитных воздействиях на кристалл или при прохождении потока частиц высокой энергии. Видом динамических дефектов 
являются фононы – временные искажения регулярности решетки, вызванные тепловым движением атомов.  

Среди статических дефектов различают атомные (точечные) и протя
женные несовершенства структуры. Атомные дефекты могут проявляться в 
виде незанятых узлов решетки – вакансий, в виде смещений атома из узла в 
междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. К 
протяженным дефектам относятся дислокации, поры, трещины, границы 
зерен, микровключения другой фазы. Слово «дислокация» в переводе на 
русский язык означает «смещение». Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации. Некоторые разновидности дефектов показаны на рисунке 1.2. 

Относительная концентрация атомных дефектов может быть неболь
шой, но изменения физических свойств кристалла, вызываемые ими, могут быть огромными. Например, тысячные доли атомного процента 
некоторых примесей могут изменять электрическое сопротивление 
чистых полупроводниковых кристаллов в 105 – 10е раз. Протяженные 
дефекты структуры оказывают сильное влияние на механические 
свойства кристаллов. 

Полиморфизм. Некоторые твердые вещества обладают способ
ностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое 
свойство материалов называют полиморфизмом, а кристаллические 
структуры называют полиморфными формами. Полиморфизм распро