Электротехническое материаловедение


Мороз Н. К.








ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


Учебник









Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»

2020

УДК621.31
ББК31.23+32.843
     М80












      Мороз, Н. К.
М80 Электротехническое материаловедение : учебник / Н. К. Мороз. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 148 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0390-0


      Рассмотрены основные свойства наиболее применяемых в электротехнической промышленности материалов - диэлектрических, магнитных, проводниковых и полупроводниковых. Показана физическая симметрия свойств диэлектрических и магнитных материалов, исследован характер их взаимодействия с электрическим и магнитным полем. Изложены основные процессы, происходящие в материалах при воздействии тех или иных факторов, в частности нетрадиционного электроосмотического метода сушки и влагозащиты изоляции электрических машин и трансформаторов. Приведены сведения о сверхпроводниках и перспективах их использования.
      Для студентов электротехнических и энергетических вузов, а также инженеров различных электротехнических специальностей.

                                                        УДК 621.31
ББК31.23+32.843





ISBN 978-5-9729-0390-0

© Мороз Н. К., 2020
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение....................................................................5
Роль симметрии в окружающем мире............................................6

ГЛАВА 1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ..........................................8
  §1.1   . Общие свойства диэлектриков......................................9
     1.1.1. Поляризация диэлектриков........................................9
     1.1.2. Основные виды поляризации диэлектриков.........................11
     1.1.3. Проводимостьдиэлектриков...................................... 15
     1.1.4. Внешние факторы, влияющие наудельное сопротивление диэлектриков........................................................ 17
     1.1.5. Сопротивление изоляции........................................ 17
     1.1.6. Потери энергии в диэлектрике.................................. 18
     1.1.7. Угол потерь диэлектрика....................................... 19
     1.1.8. Факторы, влияющие на угол потерь диэлектриков..................21
     1.1.9. Электрическая прочность диэлектриков...........................21
     1.1.10. Пробой газообразныхдиэлектриков...............................22
     1.1.11. Пробой жидких диэлектриков....................................24
     1.1.12. Пробой твердыхдиэлектриков....................................25
     1.1.13. Старение диэлектриков в электрическом поле....................26
     1.1.14. Электретное состояние диэлектриков............................28
     1.1.15. Пьезоэлектрический эффект в диэлектриках......................29
  § 1.2.  Неэлектрические свойствадиэлектриков.............................30
     1.2.1. Механические свойствадиэлектриков..............................30
     1.2.2. Физические свойства диэлектриков...............................31
     1.2.3. Методы влагозащиты изоляции....................................32
     1.2.4. Тепловые свойства диэлектриков.................................33
     1.2.5. Влияние излучений высокой энергии на свойства диэлектриков.....34
  §1.3. Диэлектрики, применяемые в электротехнике..........................35
     1.3.1. Классификация диэлектриков.....................................35
     1.3.2. Органические диэлектрики.......................................37
       1.3.2.1 .Органические диэлектрики вспомогательного назначения.......37
       1.З.2.2. Волокнистые органические диэлектрик........................42
       I.3.2.3. Пластические массы........................................ 44
     1.3.3. Неорганические диэлектрики.....................................48
     1.3.4. Фторорганические и кремнийорганические диэлектрики.............52
  § 1.4.  Электрические конденсаторы.......................................52
     1.4.1. Классификация конденсаторов....................................54
     1.4.2. Силовые конденсаторы...........................................55
  §1.5. Симметрия свойств диэлектрических и магнитных материалов...........55

ГЛАВА 2._магнитные материалы:...:...:......................................61
  §2.1   . Общие свойства магнитных материалов.............................61
  §    2.2. Классификация магнитных материалов.............................69
     2.2.1. Магнитомягкие материалы........................................69
     2.2.2. Магнитотвердые материалы.......................................76
  §2.3   . Немагнитные материалы на основе железа..........................80


3

  §2.4  . Магнитострикционный эффект в магнитных материалах....80

ГЛАВ,АЛ ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ..................................82
  § З.ЕОс  новные свойства проводников...........................82
  § З.2. Материалы высокой проводимости.........................85
  §3.3. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов..........90
  §3.4.  Биметаллы..............................................90
  §3.5.  Металлокерамические материалы, или керметы.............91
  §3.6.  Сопротивление проводников на высоких частотах..........92
  §3.7.  Сопротивление тонких металлических пленок..............94
  § 3.8. Проводниковые материалы высокого сопротивления.........95
  § 3.9. Углерод как проводниковый материал.....................98
  § 3.10. Тензометрические сплавы...............................99
  § 3.11. Контактные явления и термоэлектродвижущая сила.......100
  § 3.12. Температурныйкоэффициентлинейногорасширенияпроводников... 101
  § 3.13. Припои...............................................101
  §3.14.Ф  люсы......  ..  102
  § 3.15. Сверхпроводимость металлических проводников..........102
  § 3.16. Практическое использование явления сверхпроводимости...108
  § 3.17. Провода и кабели.....................................109

ГЛАВА 4. полупроводниковые материалы................................112
  §4.1.  Элементарные полупроводники. Общие сведения................112
     4.1.1. Собственная проводимость............................... 113
     4.1.2. Подвижность электронов и дырок......................... 114
     4.1.3. Примеснаяпроводимость.................................. 114
     4.1.4. Температурнаязависимость проводимости полупроводников.. 115
     4.1.5. Зависимость проводимости от напряженности поля......... 116
  § 4.2. Электронно-дырочные переходы...............................117
     4.2.1. Диффузия электронов и дырок............................ 119
     4.2.2. Инжекция носителей..................................... 120

4.2.3. Прямой и обратный токи черезp-n-переход............................. 120

    4.2.4. Вентильный фотоэффект................................. 121
  § 4.3. Внутренний фотоэффект....................................122
  §4.4.  Эффект*олла..............................................126
  § 4.5. Эффект Эттингсгаузена....................................128
  § 4.6. Термоэлектрические явления в полупроводниках.............128
  § 4.7. Термочувствительность полупроводников....................131
  § 4.8. Нелинейные свойства полупроводников в электрическом поле.133

§4.9 ._Кремиий...................................................¹³⁴
§4л0.германий..-......................      •....................135
§    4.11. Способы получения чистых полупроводников..............135
§    4.12. Методы полученияр-n-перехода..........................138
§4.13 . Методы получения элементов интегральных схем.............139

Библиографический список.............................................141
Приложение. Теория электроосмотического перемещения влаги в изоляции электрических машин и трансформаторов................................142

4

            ВВЕДЕНИЕ



      Материалы играют очень важную роль в развитии цивилизации. Уровень технического развития страны в большой мере зависит от материалов, которыми она располагает, причём структура и свойства материалов определяют сортамент продукции и технологию её изготовления. Целые эпохи истории цивилизации были названы по материалам, которые были в это время определяющими: каменный, медный, бронзовый и железный век.
      И примечательно то, что продолжительность каждой последующей эпохи сокращалась, а количество материалов возрастало. Вначале человек использовал материалы так, как ему их предлагала природа, позднее он начал их облагораживать.
      На определенной ступени развития человек начал создавать новые материалы как комбинации природных материалов. В настоящее время он уже способен создавать синтетические материалы, которых в природе вообще не существует, причём во многих областях применения эти новые материалы уже заменили классические материалы.
      Необходимым условием успешного развития любой технической отрасли является наличие хороших материалов. Электротехника не является исключением. Она относится к исторически молодым отраслям, поэтому в ней трудно выделить периоды подавляющего господства отдельных материалов. В развитии материальной базы происходили определённые скачки, связанные с открытием новых материалов. Сюда можно отнести начало двадцатого столетия, когда началась эра пластических масс. Аналогичные скачки обусловили открытие и применение в технике сегнетоэлектриков, ферритов, полупроводниковых материалов.
      В настоящее время существует самостоятельная отрасль науки об электротехнических материалах, которая занимается вопросами материальной базы электротехники, электроники, энергетики и её дальнейшего развития. Она включает исследования состава, структуры, свойств материалов, поведения материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т. д., а также при сочетании этих воздействий.
      Необходимо понимать, что электротехнические материалы - это ключ к получению современной электротехники. Как правило, качественные материалы определяют долговечность и надежность любого типа электрических аппаратов, машин, установок и т. д.
      Технический прогресс даёт новые возможности, методы, приборы для развития материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

5

      При конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо чётко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. В этом случае необходимо учитывать разноплановые характеристики материала -механические, теплофизические, электрофизические, физико-химические и т. д. Зачастую всем требованиям невозможно удовлетворить, поэтому необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании устройств, чтобы оценить значимость каждого из требований и понять, какие из них в каждом конкретном случае являются главными, а какие - второстепенными, которыми можно пренебречь.
      Электротехнические материалы можно разделить на четыре группы: диэлектрические, магнитные, проводниковые и полупроводниковые. Наиболее тесную и ярко выраженную связь с электромагнитным полем имеют диэлектрические и магнитные материалы. Здесь наблюдаются законы физической симметрии: с одной стороны, характеристики электрической компоненты электромагнитного поля и свойства диэлектрических материалов, а с другой -характеристики магнитной компоненты электромагнитного поля и свойства магнитных материалов.
Роль симметрии в окружающем мире
      С симметрией мы встречаемся повсюду. Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого творчества. Оно встречается уже у истоков человеческого знания; его используют все без исключения направления современной науки.
      Законы природы, управляющие неисчерпаемой в своём многообразии картиной явлений, в свою очередь, починяются принципам симметрии.
      Что такое симметрия и почему симметрия буквально пронизывает весь окружающий нас мир? Существуют, в принципе, две группы симметрий.
      К первой группе относится симметрия положений, форм, структур. Это симметрия, которую можно непосредственно видеть. Она может быть названа геометрической симметрией.
      Вторая группа характеризует симметрию физических явлений и законов природы. Эта симметрия лежит в самой основе естественно-научной картины мира: её можно назвать физической симметрией.
      Видный советский учёный академик В. И. Вернадский писал в 1927 году: «Новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности». Действительно, всеобщность симметрии поразительна. Симметрия устанавливает внутренние связи между объектами и явлениями, которые внешне никак не связаны.

6

      Всеобщность симметрии не только в том, что она обнаруживается в разнообразных объектах и явлениях. Всеобщим является сам принцип симметрии, без которого нельзя рассмотреть ни одной фундаментальной проблемы.
      Принципы симметрии лежат в основе теории относительности, квантовой механики, физики твердого тела, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц.
      Говоря о роли симметрии в процессе научного познания, следует особо выделить применение метода аналогий. По словам известного французского математика, «не существует, возможно, открытий ни в элементарной, ни в высшей математике, ни, пожалуй, в любой другой области, которые могли быть сделаны без аналогий». В основе большинства этих аналогий лежат общие корни, общие закономерности, которые проявляются одинаковым образом на разных уровнях иерархии.
      В случае электротехнических материалов симметрия свойств диэлектриков и магнитных материалов в значительной степени облегчает понимание процессов, происходящих в них при воздействии электромагнитного поля. Становится понятной суть взаимовлияния диэлектрических материалов и электрической компоненты электромагнитного поля и взаимовлияния магнитных материалов и магнитной компоненты электромагнитного поля.

7

            ГЛАВА 1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ


     Основное назначение диэлектрических материалов (диэлектриков) -усиливать электрическое поле в конденсаторах. Именно поэтому основным свойством диэлектриков является способность поляризоваться в электрическом поле. Эту способность характеризует коэффициент, называемый диэлектрической проницаемостью, е.
     Сразу следует отметить, что один и тот же диэлектрический материал может быть использован и по другому назначению - в качестве электроизолирующего. В этом случае определяющим свойством является способность материала препятствовать прохождению электрического тока. Эта способность характеризуется удельным сопротивлением р. Нередко отдельные диэлектрические материалы находят более широкое применение именно в качестве электроизолирующих.
     Из сказанного становится ясно, что не следует считать слова диэлектрические и электроизолирующие синонимами (синонимы - это слова одной и той же части речи, которые по-разному называют один и тот же предмет или явление).
     Диэлектрики взаимодействуют с электрическим полем (электрической компонентой электромагнитного поля). Далее рассмотрим, в чём это выражается. Простейшее представление об электрическом поле можно получить, представив работу плоского конденсатора при подаче на его электроды постоянного напряжения от источника питания. На поверхности электродов появляются заряды противоположного знака, которые обусловливают электрический поток. Иными словами, источником электрического поля является разность потенциалов.
     Напряженность электрического поля, Е:
Е = U / d, В/м,
где   U - напряжение, В,
      d - расстояние между электродами, м.
     Исторически сложилось, что электрический поток между двумя электродами (в конденсаторах их ещё называют пластинами, или обкладками), находящимися под напряжением, характеризуется электрическим зарядом Q, который прошёл бы по проводнику, если его поместить между этими электродами.
     Электрическая индукция, D - это плотность электрического потока, то есть это количество электрических силовых линий, проходящих перпендикулярно поверхности электродов через 1 м². С другой стороны, электрическая индукция - это плотность зарядов, выделившихся на 1 м² поверхности электрода. Общепринято определять электрическую индукцию численно равной количеству зарядов, приходящихся на 1 м² площади поверхности электрода:

8

Do = Qₒ / S, Кл/м²,

где   Dₒ - электрическая индукция при наличии между электродами вакуума,
      Qₒ - суммарный заряд на поверхности электрода, Кл, S -площадь поверхности электрода, м².
     В то же время
Qo = Co ■ U, Кл,
где   Cₒ - электрическая емкость, Ф. Это коэффициент пропорциональности
      между напряжением на электродах и зарядом на поверхности этих электродов в вакууме.
     Для того чтобы связать электрическую индукцию Dₒ в вакууме и напряженность электрического поля Е, вводится коэффициент, называемый электрической постоянной, eₒ:
Do =Qo / S = ео -Е, Кл/м².
     Электрическая постоянная eₒ численно равна 8.85-10 |². Ф/м.
     Следует обратить внимание на то, что это значение eₒ вычислено по формуле для скорости электромагнитного излучения (скорости света):
с = ^1/ eₒ - р ₒ.
     Магнитная постоянная
pₒ = 4л -10-⁷ Гн/м = 12,5664 -10-⁷ Гн/м.
     Вычисление pₒ подробно описано в главе 2 «Магнитные материалы».

        § 1.1. Общие свойства диэлектриков

     Для оценки эксплуатационных свойств диэлектриков и возможных областей их применения необходимо изучить взаимодействие этих материалов с электрическим полем и определить их основные электрические, механические, тепловые, влажностные и физико-химические характеристики.

    1.1.1. Поляризация диэлектриков

     Рассмотрим, что произойдет, если вакуум между плоскими электродами конденсатора заменить каким-либо диэлектрическим материалом (он может быть твердым, жидким или газообразным). Под действием электрического поля произойдет поляризация, обусловленная смещением связанных зарядов в диэлектрике. Положительные заряды смещаются в сторону отрицательного электрода, а отрицательные - в сторону положительного электрода. При этом на поверхности диэлектрика, прилегающего к отрицательному электроду, появляется положительный заряд, а на поверхности диэлектрика, прилегающего к положительному

9

электроду, появляется отрицательный заряд. На границе раздела двух материалов, в данном случае металла и диэлектрика, возникает двойной электростатический слой, обусловливающий контактную разность потенциалов. Обозначим напряженность контактного поля как Ек (рис. 1.1).
      Направление контактных полей совпадает с направлением внешнего поля, созданного источником питания. Суммирование этих полей приводит к усилению электрического поля в конденсаторе. При этом увеличивается плотность электрического потока между электродами и плотность зарядов на поверхности этих электродов.


Рис. 1.1. Распределение электрических полей в поляризованном диэлектрике

      В этом вся суть взаимодействия электрического поля и диэлектрических материалов: электрическое поле воздействует на диэлектрик и вызывает его поляризацию, а поляризованный диэлектрик, в свою очередь, усиливает поле, которое его поляризовало.
      Способность материала поляризоваться характеризуется коэффициентом диэлектрической проницаемости, е.
      Количество добавочных силовых линий электрического поля в конденсаторе (или добавочный заряд на поверхности электродов) за счет поляризации диэлектрика, внесенного между электродами, рассчитанное на единицу площади поверхности электрода, называется поляризованностъю:
Р = ео • X ' Е, Кл/м²
где х~ диэлектрическая восприимчивость вещества. Это коэффициент, характеризующий способность данного материала воспринимать воздействие электрического поля и усиливать его, увеличивая плотность зарядов на электродах. Для разных материалов эта способность различна.

10

      Увеличенное значение электрической индукции, D', после внесения между электродами твердого или жидкого диэлектрика, определяется по формуле:
D’= Dₒ+ P = ео-Е+ ео • у• Е = ео ■ (1+ у)• Е = еа• Е, Кл/м²,
где   еа = ео • (1+ у), Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость.
в ₌   ₌ So-0 + z) ₌ j ₊ ^
Е>    Е>

где е - относительная диэлектрическая проницаемость, которая является безразмерной величиной. Именно значение е приводится в справочной литературе. Прилагательное «относительная» для простоты не произносится.
     Надо иметь в виду, что е не может быть меньше 1, так как коэффициенту в вакууме равен нулю.
     Относительная диэлектрическая проницаемость е показывает, во сколько раз увеличиваются ёмкость конденсатора C и электрическая индукция D', когда между его обкладками вакуум заполняют каким-либо диэлектриком:

е = С/ Со = D' / Dₒ

      Явление поляризации диэлектриков представляет интерес потому, что оно вызывает увеличение электрического потока и, как следствие, электрической ёмкости конденсатора. Ёмкость конденсатора при введении между электродами твёрдого или жидкого диэлектрика может быть определена по формуле:

С = O+AQ >Со и ⁰

      Таким образом, чем больше е диэлектрика, тем больше емкость конденсатора с этим диэлектриком. Наименьшей величиной е обладают газы. Для сухого воздуха при нормальном давлении и температуре е = 1,0006.


    1.1.2. Основные виды поляризации диэлектриков


      Явление поляризации характеризуется смещением связанных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля. Процесс этот сложный и в разных диэлектриках может происходить по-разному, определяя различные значения е. Существует достаточно большое количество различных видов поляризации. К основным её видам относятся следующие.
      Электронная поляризация - смещение электронов в атомах диэлектрика по направлению к положительному электроду. Этот вид поляризации имеет место во всех без исключения диэлектриках. Другие виды добавляются к электронной. Диэлектрики, обладающие только электронной поляризацией, называют неполярными, для них е = 2,5. Этот вид поляризация относительно слабый. При электронной поляризации смещение D возрастает прямо пропорционально напряженности

11

поля Е, а потому е не зависит от Е. Электронная поляризация происходит практически мгновенно, а потому у неполярных диэлектриков е не зависит от частоты. Зависимость е от температуры при электронной поляризации определяется только зависимостью плотности вещества от температуры. При нагревании вещество расширяется, плотность падает, а следовательно, уменьшается число атомов и электронов в единице объема. Это способствует ослаблению поляризации. Электронная поляризация происходит без потерь энергии, поэтому не сопровождается нагревом.
     Примеры неполярных диэлектриков: нефтяное масло, октол, парафин, полистирол, полиэтилен, фторопласт-4.
     Ионная поляризация - смещение ионов в узлах кристаллической решетки под действием электрического поля. Имеет место только у диэлектриков, представляющих собой ионные кристаллы, у которых в узлах решетки размещены не атомы, а ионы. Например, кристалл каменной соли NaCl имеет форму куба, который построен из чередующихся ионов Na⁺ и Cl . При воздействии электрического поля ионы натрия будут смещаться в сторону отрицательного электрода, а ионы хлора - в сторону положительного. Это значительно более сильная поляризация, чем электронная: е = 30. Ионная поляризация происходит достаточно быстро, поэтому е не зависит от частоты.
     Так же как и при электронной поляризации, D пропорционально Е и е не зависит от Е. При повышении температуры расстояния между ионами в решетке возрастают и ослабевают связывающие их силы, поэтому поляризуемость увеличивается, т. е. ионам легче смещаться под действием поля. В связи с этим е ионных диэлектриков возрастает при увеличении температуры.
     Примеры диэлектриков с ионной поляризацией: слюда, некоторые виды керамики. Особый случай представляют керамические материалы на основе двуокиси титана: TiO₂ («тиконды»). В этих материалах, наряду с ионной, имеет место необычно сильная электронная поляризация, в связи с чем е у них резко увеличена и составляет 50-150. Ввиду преобладания электронной поляризации, при повышении температуры е этих материалов не растет, а снижается. Смешивая обычный керамический материал с материалом на основе ТЮ₂, можно использовать разный характер зависимости е = f(t) и получить материал, у которого е практически не изменяется с изменением температуры. В результате получается термокомпенсированная керамика. Она применяется для изготовления термостабильных конденсаторов, у которых электрическая ёмкость не зависит от окружающей температуры.
     Дипольная поляризация - поворот дипольных молекул (диполей) под действием электрического поля. Дипольные молекулы отличаются от нейтральных молекул тем, что центры тяжести положительного и отрицательного заряда в них не совпадают и заряды разного знака смещены к концам молекулы. В силу этого молекула обладает электрическим моментом, под действием которого стремится

12