Электротехнические материалы: Классификация, свойства и применение

Электротехнические материалы являются фундаментальной основой всей современной электротехники, электроники и энергетики. От простейшей лампочки до сложнейших микропроцессоров и высоковольтных линий электропередач — все эти устройства и системы функционируют благодаря уникальным электрическим и магнитным свойствам специально подобранных веществ. История развития электротехники неразрывно связана с открытием и созданием новых материалов, способных проводить, изолировать или преобразовывать электрический ток и магнитные поля.

Первые шаги в этой области были сделаны еще в XVIII-XIX веках с открытием проводящих свойств металлов и изолирующих свойств таких материалов, как янтарь, стекло и шелк. Революционный прорыв произошел с изобретением полупроводниковых приборов в середине XX века, что положило начало эре микроэлектроники.

В этой статье мы подробно рассмотрим классификацию, внутреннее строение и ключевые свойства материалов, которые определяют их поведение в электромагнитных полях и обуславливают их широкое применение в инженерной практике.

1. Основополагающая классификация материалов в электротехнике

В зависимости от способности проводить электрический ток, то есть от реакции на воздействие внешнего электрического поля, все материалы принято разделять на три большие, фундаментальные группы. Эта классификация лежит в основе выбора материала для любого электротехнического изделия.

• Проводниковые материалы (Проводники): Вещества, обладающие высокой электропроводностью и низким удельным сопротивлением. Их основная функция — проводить электрический ток с минимальными потерями.
• Полупроводниковые материалы (Полупроводники): Занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их уникальность заключается в том, что их проводимостью можно управлять в широких пределах под воздействием внешних факторов (температуры, света, электрического поля).
• Диэлектрические, или электроизоляционные, материалы (Диэлектрики): Вещества с очень низкой электропроводностью и высоким удельным сопротивлением. Их главная задача — предотвращать прохождение электрического тока, изолируя токоведущие части друг от друга.

Помимо этих основных групп, в электротехнике широко применяются конструкционные материалы. К ним относятся различные металлы, сплавы, пластмассы и керамика, для которых первостепенное значение имеют механические свойства (прочность, твердость, упругость). В электротехнических устройствах они выполняют несущие, защитные и каркасные функции.

2. Атомное строение и природа химических связей

Свойства любого материала напрямую определяются его внутренним строением — типом атомов и характером связей между ними. Основными элементарными частицами, формирующими вещество, являются протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, и электроны, вращающиеся вокруг него по определенным орбиталям (оболочкам). Именно электроны внешних, валентных оболочек вступают во взаимодействие, образуя химические связи и определяя электрические, магнитные и механические характеристики материала.

2.1. Виды химических связей и их влияние на свойства материалов

Металлическая связь

Этот тип связи характерен для металлов и их сплавов. Она формируется за счет взаимодействия положительно заряженных ионов, расположенных в строгом порядке в узлах кристаллической решетки, и обобществленных валентных электронов. Эти электроны не принадлежат конкретным атомам, а свободно перемещаются по всему объему кристалла, образуя так называемый «электронный газ». Именно наличие этого «газа» свободных носителей заряда обуславливает ключевые свойства металлов: высокую электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость и тягучесть) и характерный металлический блеск.

Рисунок 1 – Схематическое изображение металлической связи

Ионная связь

Ионная связь возникает между атомами, которые значительно отличаются по своей электроотрицательности. Электроотрицательность (ζ) — это фундаментальная химическая способность атома притягивать к себе электроны при образовании химической связи. В случае ионной связи один или несколько электронов практически полностью переходят от атома с низкой электроотрицательностью (металла) к атому с высокой электроотрицательностью (неметаллу).

В результате образуются положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы), которые удерживаются вместе силами электростатического притяжения. Материалы с ионной связью (например, поваренная соль NaCl, керамика) в твердом состоянии являются диэлектриками, так как ионы жестко зафиксированы в узлах решетки. Однако в расплавленном или растворенном состоянии они становятся проводниками.

Рисунок 2 – Образование ионной связи. Понятие электрического момента диполя: M = q·l, [Кл·м]

Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется за счет обобществления одной или нескольких пар валентных электронов между двумя атомами, как правило, неметаллов. Эта связь является направленной в пространстве и очень прочной. Различают два типа ковалентной связи:

• Неполярная ковалентная связь: Возникает между атомами одного и того же элемента (например, H₂, O₂, N₂, Сl₂) или с очень близкой электроотрицательностью. Общая электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам, электронная плотность распределена симметрично, и на атомах не возникает электрического заряда. Материалы с такой связью (алмаз, кремний, германий) могут быть как диэлектриками, так и полупроводниками.

Рисунок 3 – Строение неполярной ковалентной связи

• Полярная ковалентная связь: Образуется между атомами с различной, но не слишком отличающейся электроотрицательностью (например, в молекуле воды H₂O). Общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома. В результате на этом атоме возникает частичный отрицательный заряд (δ-), а на другом — частичный положительный заряд (δ+). Молекула становится электрическим диполем.

Рисунок 4 – Строение полярной ковалентной связи

Водородная связь

Это особый, более слабый тип межмолекулярной связи. Она возникает между молекулами, в которых атом водорода (H) связан с сильно электроотрицательным атомом (F, O или N). Положительно поляризованный атом водорода одной молекулы притягивается к отрицательно поляризованному атому фтора, кислорода или азота другой молекулы. Водородные связи играют ключевую роль в свойствах воды, а также многих органических и полимерных материалов, используемых в качестве изоляции.

Рисунок 5 – Схема образования водородной связи между молекулами

3. Структура твердых тел: Кристаллы и аморфные вещества

По взаимному расположению атомов в пространстве твердые материалы подразделяются на кристаллические и аморфные.

• Кристаллические структуры: Характеризуются наличием дальнего порядка — строгой, периодически повторяющейся в трех измерениях укладкой атомов, ионов или молекул. Такая упорядоченная структура называется кристаллической решеткой. Большинство металлов, полупроводников и ионных соединений имеют кристаллическое строение. Свойства кристаллических тел анизотропны, то есть зависят от направления измерения.
• Аморфные материалы: В них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний порядок — упорядоченность в расположении лишь соседних атомов. Их структура напоминает структуру застывшей жидкости. Примерами являются стекло, смолы, многие пластмассы. Свойства аморфных тел изотропны (одинаковы во всех направлениях).
• Смешанные (аморфно-кристаллические) материалы: Представляют собой аморфную матрицу, в которой содержатся кристаллические области (кристаллиты). Такая структура характерна для многих полимеров, например, полиэтилена, что придает им уникальное сочетание свойств.

3.1. Дефекты кристаллической решетки

Идеальная кристаллическая решетка — это теоретическая абстракция. В реальных кристаллах всегда присутствуют различные нарушения строения, называемые дефектами. Несмотря на свое название, дефекты не всегда являются негативным фактором. Напротив, контролируемое введение дефектов — один из важнейших инструментов управления свойствами материалов, особенно полупроводников.

Дефекты классифицируют по их размерности:

• Точечные (нульмерные): Нарушения, локализованные вблизи одного узла решетки. К ним относятся:
  • Вакансия (1): Отсутствие атома в узле кристаллической решетки.
  • Примесный атом замещения (2): Чужеродный атом, расположенный в узле решетки вместо основного. Именно так создаются легированные полупроводники.
  • Примесный атом внедрения (3): Чужеродный атом, расположенный в междоузлии — пространстве между узлами решетки.
• Линейные (одномерные): Нарушения, простирающиеся вдоль определенной линии, например, дислокации. Они определяют механическую прочность и пластичность металлов.
• Поверхностные (двумерные): Границы зерен в поликристаллических материалах, границы раздела фаз.
• Объемные (трехмерные): Поры, трещины, включения другой фазы.

Рисунок 6 – Основные типы атомных точечных дефектов: 1 — вакансия; 2 — примесный атом в узле решетки (замещения); 3 — примесный атом в междоузлии (внедрения)

4. Зонная теория твердого тела — ключ к пониманию электропроводности

Наиболее полно и наглядно электрические свойства материалов объясняет зонная теория твердого тела. Согласно этой теории, энергетические уровни электронов в кристалле объединяются в широкие разрешенные энергетические зоны, разделенные запрещенными зонами.

Две важнейшие зоны:

• Валентная зона: Нижняя зона, полностью или частично заполненная валентными электронами при температуре абсолютного нуля. Электроны в этой зоне связаны с атомами и не могут создавать ток.
• Зона проводимости: Верхняя, свободная от электронов зона. Электроны, попавшие в эту зону, становятся свободными и могут перемещаться по кристаллу под действием электрического поля, создавая электрический ток.

Между этими зонами находится запрещенная зона. Ее ширина, энергия активации (ΔW), — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости. Именно ширина запрещенной зоны определяет, к какому классу относится материал.

Рисунок 7 – Энергетические диаграммы для диэлектриков, полупроводников и проводников согласно зонной теории

• Проводники (металлы): Валентная зона и зона проводимости перекрываются (ΔW ≈ 0). В материале всегда присутствует огромное количество свободных электронов, что и обуславливает их высокую проводимость.
• Диэлектрики (изоляторы): Ширина запрещенной зоны очень велика (ΔW > 3 эВ). Для перевода электрона в зону проводимости требуется огромная энергия, сопоставимая с энергией разрушения материала. Поэтому в обычных условиях свободных электронов в них практически нет.
• Полупроводники: Имеют относительно узкую запрещенную зону (ΔW от 0.1 до 3 эВ). Уже при комнатной температуре часть электронов за счет тепловой энергии может преодолеть этот барьер и перейти в зону проводимости, обеспечивая небольшую собственную проводимость.

5. Характеристики и применение основных групп материалов

5.1. Проводниковые материалы

Основная функция — проведение тока. Ключевая характеристика — низкое удельное сопротивление (ρ). Их классификация и применение регулируются, в частности, ГОСТ 22265-76 «Материалы проводниковые. Термины и определения».

• Преимущества: Высокая проводимость, пластичность, доступность (для меди и алюминия).
• Недостатки: Подверженность коррозии, изменение сопротивления с температурой, относительно высокая стоимость (для серебра и золота).
• Применение: Обмотки электрических машин и трансформаторов, жилы кабелей и проводов, контакты, шины распределительных устройств. Особую группу составляют материалы высокого сопротивления (нихром, константан) для нагревательных элементов и резисторов.

5.2. Полупроводниковые материалы

Основа всей твердотельной электроники. Их проводимость (γ) можно изменять легированием — введением примесей. Используются для создания диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем, солнечных батарей, датчиков температуры (термисторов), датчиков света (фоторезисторов) и т.д.

• Преимущества: Возможность управления проводимостью, миниатюрность, высокая надежность и низкое энергопотребление приборов на их основе.
• Недостатки: Сильная зависимость свойств от температуры и чистоты материала, сложность технологии производства.

5.3. Диэлектрические материалы

Используются для электрической изоляции. Главные свойства — высокое удельное сопротивление (ρ > 10⁷ Ом·м) и высокая электрическая прочность.

• Активные диэлектрики: Особая группа, чьими свойствами можно управлять. К ним относятся сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, используемые в конденсаторах переменной емкости, датчиках давления, генераторах и преобразователях сигналов.
• Преимущества: Способность выдерживать высокие напряжения, хорошие механические свойства (для многих полимеров и керамики), химическая стойкость.
• Недостатки: Старение под действием электрического поля и температуры, гигроскопичность (для некоторых материалов).

6. Магнитные материалы

Это класс материалов, которые активно взаимодействуют с магнитным полем. Их применяют для создания сердечников трансформаторов и электродвигателей, постоянных магнитов, элементов памяти, магнитных экранов. Ключевая характеристика — магнитная проницаемость (μ).

• Диамагнетики: Незначительно ослабляют внешнее магнитное поле.
• Парамагнетики: Незначительно усиливают внешнее магнитное поле.
• Ферромагнетики: Способны сильно намагничиваться и сохранять намагниченность даже после снятия поля. Это свойство лежит в основе работы постоянных магнитов и устройств магнитной записи информации.

Сравнительная таблица основных классов электротехнических материалов

7. Интересные факты из мира электротехнических материалов

• Сверхпроводимость: В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес открыл, что при охлаждении ртути до температуры около 4К (-269 °C) ее электрическое сопротивление падает до нуля. Это явление назвали сверхпроводимостью. Сегодня высокотемпературные сверхпроводники, работающие при температуре жидкого азота, используются для создания мощнейших магнитов для МРТ и ускорителей частиц.
• Кремниевая революция: Кремний (Si) является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода (содержится в песке). Его полупроводниковые свойства и возможность создавать на его основе сложнейшие интегральные схемы сделали его «материалом XX века» и основой всей современной цифровой электроники.
• Пьезоэффект: Некоторые кристаллы (например, кварц) при механической деформации (сжатии или растяжении) генерируют на своих гранях электрический заряд. И наоборот, при подаче на них напряжения они изменяют свои размеры. Это свойство (пьезоэффект) используется в зажигалках, кварцевых резонаторах для стабилизации частоты в часах и электронике, а также в датчиках давления.
• Графен: Это двумерный материал, представляющий собой один слой атомов углерода, соединенных в гексагональную решетку. Он обладает уникальным сочетанием свойств: высочайшая прочность, рекордная электро- и теплопроводность, гибкость и прозрачность. Графен считается одним из самых перспективных материалов для электроники будущего.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие полупроводника от проводника?

Главное отличие в механизме и концентрации носителей заряда. В проводнике (металле) всегда есть огромное количество свободных электронов. В полупроводнике их концентрация мала и сильно зависит от температуры и примесей. Ключевое свойство полупроводника — управляемость его проводимости, что невозможно для проводника.

Почему изоляционные материалы со временем теряют свои свойства?

Этот процесс называется «старением изоляции». Он происходит под воздействием комплекса факторов: высокого напряжения, повышенной температуры, влажности, УФ-излучения, механических нагрузок. Эти факторы вызывают необратимые химические и физические изменения в структуре материала, что приводит к снижению его сопротивления и электрической прочности, и в итоге может вызвать пробой.

Что такое «дырка» в полупроводнике?

«Дырка» — это не реальная частица, а удобная физическая модель. Когда электрон в полупроводнике переходит из валентной зоны в зону проводимости, на его месте в валентной зоне остается вакантное место с эффективным положительным зарядом. Это место и называют дыркой. Перемещение электронов в валентной зоне эквивалентно перемещению этой положительно заряженной «дырки» в обратном направлении.

Может ли диэлектрик проводить ток?

Да, при определенных условиях. Если приложить к диэлектрику очень высокое напряжение, превышающее его электрическую прочность, произойдет пробой. В этот момент через диэлектрик начинает протекать значительный ток, и он необратимо разрушается, превращаясь, по сути, в проводник.

Зачем в электротехнике используют дорогие металлы, такие как золото и серебро?

Серебро обладает самой высокой электропроводностью среди всех металлов, а золото — высочайшей стойкостью к коррозии. Их используют в особо ответственных применениях: для покрытия контактов в прецизионной и высокочастотной аппаратуре, где важно обеспечить стабильно низкое переходное сопротивление на долгие годы эксплуатации.

Заключение

Электротехнические материалы — это обширная и динамично развивающаяся область знаний, без которой невозможно представить современную цивилизацию. Понимание их внутреннего строения, классификации и свойств, определяемых фундаментальными законами физики и химии, является ключевой компетенцией любого инженера-электрика. От правильного выбора материала зависят надежность, эффективность, долговечность и безопасность любого электротехнического устройства. Постоянный поиск новых материалов с улучшенными и уникальными характеристиками продолжает двигать технический прогресс вперед, открывая новые горизонты для создания инновационных технологий.

Нормативная база

1. ГОСТ 22265-76 «Материалы проводниковые. Термины и определения».
2. ГОСТ Р 57436-2017  «Приборы полупроводниковые. Термины и определения»

Список литературы

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. «Материалы электронной техники». Учебное пособие для вузов. — СПб.: Лань, 2003. — 368 с.
2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. «Электротехнические материалы». Учебник для вузов. — 7-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с.
3. Касаткин А. С., Немцов М. В. «Электротехника»: Учебное пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 2005. — 544 с.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологическое обеспечение точности: Базирование, размерные цепи и методы монтажа - 09.10.2025
• Метрологическое обеспечение точности производственных процессов: цели и структура - 09.10.2025
• Материалы для технологических трубопроводов: сталь, пластик, металлополимеры - 07.10.2025