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 характери-
стики различных материалов, рассматриваются вопросы их долговечности. Форма из-
ложения 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 клас-
сов материалов, которые применяются в электроэнергетике и электротехнике. Это 
материалы для генераторов и двигателей, линий электропередачи и контактной сети, 
трансформаторов, выключателей, ограничителей перенапряжений и множества дру-
гих 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 оче-
редь, сказывается на надежности и долговечности устройств и конструкций. Все ава-
рии 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, сту-
дент еще не усвоил в должной мере основные понятия и законы физики и химии. Ма-
териаловедение – это первый общеинженерный предмет, и его освоение невозможно 
без базы, которая закладывается при изучении общеобразовательных дисциплин. По-
этому в настоящем пособии предложены такие форма и содержание материала, кото-
рые 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 спра-
вочников, 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 эн-
циклопедии [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, про-
тоны, нейтроны и образованные ими ионы, атомы и молекулы. Сту-
денты-электрики должны твердо знать, что и эти простейшие образо-
вания и вещество в целом своими свойствами обязаны закону Кулона, 
определяющему взаимодействие между заряженными частицами (час-
тицами, 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 оп-
ределенных расстояниях друг от друга (в узлах кристаллической ре-
шетки) 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 положительно-
го и отрицательного ионов, взаимоудерживаемых электростатически-
ми 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 ос-
новных ви-
да химиче-
ской 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 расстоя-
ние, 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 ма-
териалов характерно проявление хрупкости.

Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в 

слабой механической прочности, отсутствии определенной темпе-
ратуры плавления, сложности и многообразии строения материала.

Наибольшее значение вид и характер химических связей имеют в 

твердых телах. В первую очередь они обусловливают строение твердо-
го 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), способ-
ностью к большим, длительно развивающимся обратимым деформаци-
ям, 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  посторон-
них включений.

4.Назовите
основные
д е фе кты
в строении 
кристалли-
ческих 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 ока-
заться в одних случаях полезными, а в других – вредными. На тепло-
вые характеристики материала дефекты в кристаллах оказывают 
меньшее влияние, чем на механические и электромагнитные характе-
ристики.

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. Опреде-
лите роль
дефектов
кристал-
лической
р е ш е тк и
в форми-
р ов а ни и
с в о й с т в
материала

Сплав – макроскопически однородное вещество, получаемое 

сплавлением двух либо более металлов, неметаллов, окислов, органи-
ческих веществ и т. п. Особенно важную роль в технике играют метал-
лические сплавы. Сплав не является механической смесью компонен-
тов. 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 

композици-
онный
ма-

териал и ка-
кие вы мо-
жете 
наз-

вать 
при-

меры ком-
позицион-
ных 
мате-

риалов?

двух или более компонентов, химически не связанных между собой, но
в итоге изменяющих параметры материала в целом по сравнению с 
параметрами каждого из компонентов.

Ниже будут рассмотрены (или их можно найти в рекомендуемой 

литературе) такие композиционные материалы, как: бетон, текстолит, 
гетинакс, эком, бетэл, вилит, резина, стеклопластик, не-которые мате-
риалы для электрических контактов, магнитодиэлектрики и др.

Обычно свойства каждого из компонентов композиционного мате-

риала бывают известны. При создании нового композиционного мате-
риала его новые свойства могут быть определены расчетным путем. 
Для расчета таких параметров, как электропроводность, теплопро-
водность, диэлектрическая проницаемость (ниже они объединены 
общим термином «обобщенная проводимость»), существует множест-
во расчетных моделей, из которых мы выделим две.

8. Назови-
те две мо-
дели про-
водимос-
ти компо-
зи ци он -
ных мате-
риалов

Матричная модель, содержащая два компонента: матрицу, кото-

рая характеризуется непрерывностью в строении, и наполнитель, дис-
кретно заполняющий объем материала, не занятый матрицей.

Значение обобщенной проводимости для матричной смеси опреде-

ляется выражением

1

1
м
экв
м

1
м

ν
1+ 1–ν
ζ
ζ
= ζ
,
+
3
ζ – ζ

ж
ц

з
ч

з
ч
и
ш

в котором м и 1 – обобщенные проводимости матричной фазы и на-
полнителя; 1 – объемная доля наполнителя (в долях единицы).

Статистическая смесь – модель материала, два компонента кото-

рого в отношении структуры проводимости равноправны.

В статистической смеси значение обобщенной проводимости рас-

считывается по выражению

2
1
2

экв
2
А
А
 

=
+
+
, 

где

1
1
2
2
(3
1)
(3
1)

4
А




-
+
-
=
,

а ζ1 и ζ2 – обобщенные проводимости,  ν1 и ν2 – объемные доли перво-
го и второго компонентов материала.

Выбор той или иной модели для расчета зависит от структуры ма-

териала.

1.2. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Тепловые свойства материалов определяют теплообмен и нагрев

электротехнических изделий и конструкций. О нагреве мы судим по 
температуре тела.

Температура – это характеристика равновесного состояния веще-

ства. В равновесных условиях температура технического диапазона 
пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Абсо-
лютная температура – эта мера кинетической энергии поступательного 
движения молекул идеального газа.

9. Опреде-
лите поня-
тие «тем-
пература»

При определенных температурах могут скачком изменяться пара-

метры или фазовое состояние вещества. Такие температуры можно 
назвать характерными температурными точками.

Температуры: парообразования (кипения),
плавления,
текучести, 
каплепадания,
вспышки паров, 
Дебая, 
Кюри,
Неля, 
длительная рабочая и т. д.

10. Назови-
те несколь-
ко харак-
т е р н ы х
те м п е ра -
турных то-
чек мате-
риалов

Повышение температуры связано с повышением кинетической 

энергии колебательного движения частиц. Количество энергии, необ-
ходимое для этого, определяется теплоемкостью тела.

Удельная теплоемкость – это количество энергии (теплоты), необ-

ходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К. Размер-

ность удельной теплоемкости –
Дж
кг К

й
щ

к
ъ
Ч
л
ы

.

11. Опреде-
лите поня-
тие «удель-
ная тепло-
емкость»

Другим важным для электротехнических и электроэнергетических 

устройств тепловым параметром материала является его способность 
«проводить тепло» через  себя. Это свойство называется теплопровод-
ностью.

12. Определ
ите поня-
тие «удель-
ная тепло-
п р о в о д -
ность (ко-
эффициент
теплопро-
водности)»

Удельная теплопроводность (коэффициент теплопроводности), 

λ – это удельный тепловой поток через материал Р/S (мощность, 
проходящая перпендикулярно изотермической поверхности пло-
щадью 1 м2) при градиенте
температуры (Т/l) один кельвин на 

метр. 

.
Р
T

S
l


=

Размерность удельной теплопроводности –

2
Вт/м
Вт
=
К/м
м К

й
щ й
щ
к
ъ
к
ъ
Ч
л
ы
к
ъ
л
ы

.

При изменении температуры все параметры материала так или 

иначе изменяются. Универсальной величиной, определяющей тем-
пературные изменения, является температурный коэффициент.

13. Определ
ите поня-
тие «темпе-
ра турный
к о э ф ф и -
циент»

Температурный коэффициент любого параметра а, ТКа – это зна-

чение относительного изменения этого параметра, определяемого при 
увеличении (изменении) температуры на 1 К:

1
ТК
.
а
а
а Т

¶
=
¶

Независимо от размерности параметра (удельное сопротивление, 

длина и т. д.) размерность температурного  коэффициента всегда оди-
накова – [К–1].

1.3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ 

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

1.3.1. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

14. Опреде-
лите поня-
тие «элек-
тропровод-
ность» и на-
зовите вели-
чины, опре-
деляющие
ее численно

Электропроводность – это способность вещества проводить элек-

трический ток, обусловленная наличием свободных носителей элек-
трических зарядов в веществе. Свободный носитель – это частица, не 
связанная с конкретным атомом, молекулой или с поверхностью мате-
риала. Для численного определения электропроводности вводятся ве-
личины: «удельное электрическое сопротивление» ρ и «удельная элек-
трическая проводимость» γ.

1


=
.

Значение удельной электрической проводимости вещества – γ

[См/м] определяется как произведение суммарного заряда свободных 
носителей электрического заряда в единице объема (n∙q) [Кл/м3] и 
подвижности этих носителей – u [м2/(с·В)]:

nq u
 =
Ч ;

n – концентрация носителей свободных зарядов, 1/м3, q – заряд носи-
теля, Кл.

15. Назовите 
два основ-
ных пара-
метра, оп-
ределяю-
щих электро-
проводность
вещества

Подвижностью носителей электрического заряда u называется ве-

личина, численно равная средней скорости движения зарядов в веще-
стве v [м/с], при напряженности поля E = 1 В/м:

v
u
E
=
[м2/(В·с)].

16. Что та-
кое п од -
вижность
носителей
заряда?

Названия типов электропроводности определяются названиями 

свободных носителей электрических зарядов:

 электронная (дырочная, поляронная),
 ионная,
 молионная.
Молионная электропроводность иногда (в специальной литературе) 

называется катафоретической или электроосмотической – по названию 
явлений (электрофорез, электроосмос), связанных с движением мо-
лионов в электрическом поле.

17. Какие 
вам изве-
стны типы 
электро-
п р ов од -
ности?

Молион – это электрически заряженная микроскопическая частица 

твердого вещества в жидкой среде. Электрический заряд молиона обу-
словлен избирательной адсорбцией на поверхность частицы ионов од-
ного знака из раствора. В водной среде твердые частицы обычно ад-
сорбируют отрицательные ионы из раствора и заряжаются в целом от-
рицательно.

18. Что та-
кое моли-
он?

Свободные носители электрического заряда в веществе имеют

разные размеры.  По мере возрастания размера частицы располагаются 
следующим образом:

электрон <ион<молион.

Соответственно снижается их подвижность.

Все указанные положения и рассмотренные параметры непосред-

ственно определяют значение удельного электрического сопротивле-
ния материала.

19. Сравни-
те размеры 
носителей
заряда при
разных ти-
пах элек-
тропровод-
ности