Электрические свойства древесины

В этой группе свойств рассматривается электропроводность, элек­трическая прочность, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства дре­весины.

Электропроводность. Способность древесины проводить электри­ческий ток находится в обратной зависимости от ее электрического сопро­тивления. В общем случае полное сопротивление образца древесины, раз­мещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух сопротивлений - объемного и поверхностного. Объемное сопротивление численно характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное сопротивление - прохождению тока по поверхности образца. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и поверхностное сопротивле­ния. Первый из названных показателей выражается в омах на сантиметр (Ом·см) и численно равен сопротивлению при прохождении тока через две противоположные грани кубика размером 1x1x1 см из данного материала (древесины). Второй показатель измеряется в омах и численно равен со­противлению квадрата любого размера на поверхности образца древесины при подведении тока к электродам, ограничивающим две противополож­ные стороны этого квадрата. Методы измерения этих показателей для дре­весины стандартизованы (ГОСТ 18408-73).

Представление о порядке величин удельного объемного и поверх­ностного сопротивлений дают данные, приведенные в табл. 24.

Более подробные данные, полученные в Белорусском технологиче­ском институте (БТИ), приведены в табл. 25. Здесь даны показатели для абсолютно сухой древесины вдоль и поперек волокон (в радиальном на­правлении) при температуре 20 °С.

24 Сравнительные данные об удельном объемном и

поверхностном сопротивлении древесины

Порода и направление	Влаж­ность, %	Удельное объемное сопротив­ление, Ом см	Удельное поверхност­ное сопро­тивление, Ом	Источник
Береза, вдоль волокон Береза, поперек волокон Бук, вдоль волокон Бук, поперек волокон	8,2 8,0 9,2 8,3	4,2·10^10 8,6·10^11 1,7·10^9 1,4·10^10	4,0·10^11 2,8·10^12 9,4·10^10 7,9·10^10	М.М. Михайлов
Сосна, вдоль волокон Сосна, поперек волокон Ель, вдоль волокон Ель, поперек волокон Дуб, вдоль волокон Дуб, поперек волокон	7,5 7,5 7,8 7,8 7,9 7,9	- 1,3·10^11 - 6,4·10^10 - 1,3·10^10	2,1·10^11 7,9·10^11 1,0·10^11 4,0·10^11 2,0·10^10 5,5·10^10	И.Л. Туманов (МЛТИ)

Из табл. 25 видно, что древесина относится к диэлектрикам, для ко­торых удельное сопротивление равно 10⁸- 10¹⁷ Ом·см. Этот показатель вдоль волокон у большинства пород в несколько раз меньше, чем поперек Сухая древесина имеет очень малую электропроводность, примерно такую, как у лучших электроизоляционных материалов. С повышением влажности древесины ее сопротивление уменьшается.

25. Удельное объемное сопротивление древесины

в абсолютно сухом состоянии

Порода	Удельное объемное сопротивление, Ом·см
поперек волокон	вдоль волокон
Сосна Ель Ясень Граб Клен Береза Ольха Лила Осина	2,3 10^15 7,6 10^16 3,3 10^16 8,0 10^15 6,6 10^17 5,1 10^16 1,0 10^17 1,5 10^16 1,7 10^16	1,8 10^15 3,8 10^16 3,6 10^15 1,3 10^15 3,3 10^17 2,3 10^16 9,6 10^15 6,4 10^15 8,0 10^15

Особенно большое влияние на электропроводность оказывает свя­занная вода В табл. 26 представлены данные (БТИ), иллюстрирующие влияние изменения влажности в диапазоне 0-20 % на удельное объемное сопротивление древесины поперек волокон.

26 Влияние влажности на объемное сопротивление древесины

Порода	Удельное объемное сопротивление, Ом см, при влажности древесины, %
Сосна Ель Дуб Береза Ольха	2,3·10^15 7,6·10^16 1,5·10^16 5,1·10^16 1,0 ·10^17	5·10^11 1·10^12 2·10^11 9· 10^11 9·10^11	3·10^8 3·10^8 7·10^8 1·10^8 6·10^8

Резкое падение сопротивления продолжается при повышении влаж­ности до предела насыщения клеточных стенок. Электропроводность дре­весины при W_п.н. больше электропроводности абсолютно сухой древесины в десятки миллионов раз Дальнейшее повышение влажности за счет уве­личения содержания свободной воды приводит к увеличению электропро­водности лишь в десятки или сотни раз

Поверхностное сопротивление древесины также существенно сни­жается с увеличением влажности. По данным МЛТИ увеличение влажно­сти древесины бука от 4,5 до 17 % привело к снижению удельного поверх­ностного сопротивления вдоль волокон с 1,2·10¹³ до 1,0·10⁷ Ом.

Повышение температуры приводит к уменьшению объемного сопро­тивления древесины Наибольшее влияние температуры заметно при срав­нительно низкой влажности древесины Так, увеличение температуры от 20 до 94°С снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в милли­он раз, а древесины влажностью 22-24 % всего лишь в 100 раз

При отрицательных температурах объемное сопротивление древеси­ны возрастает По данным ЛТА удельное объемное сопротивление вдоль волокон образцов березы влажностью 76 % при 0°С составило 1,2·10⁷ Ом см, а при охлаждении до -24 °С оно оказалось 1,02 10⁸ Ом см

Пропитка древесины минеральными антисептиками (например, хло­ристым цинком) уменьшает удельное сопротивление, в то время как про­питка креозотом мало отражается на электропроводности

Электропроводность древесины имеет значение при разработке ре­жимов ее отделки лаками в поле высокого потенциала, режимов резания древесины, методов снятия статических зарядов при шлифовании древеси­ны и др На зависимости величины электропроводности древесины от ее влажности основано устройство кондуктометрических влагомеров. Эти приборы дают наиболее точные показания при влажности ниже предела насыщения клеточных стенок, т. е. в области особенно сильного влияния влажности на электропроводность.

Электрическая прочность древесины. Способность древесины противостоять пробою, т. е. снижению сопротивления при больших на­пряжениях, называется электрической прочностью. Для определения элек­трической прочности древесины при переменном напряжении, частотой 50 Гц разработан ГОСТ 18407-73.

Электрическую прочность Е_пр, кВ/мм, вычисляют с погрешностью до 0,01 по формуле

(58)

где U_np - эффективное пробивное напряжение, кВ; h - толщина образца в рабочей зоне, мм.

Некоторые данные об электрической прочности древесины, опреде­ленные в ЦНИИМОДе по стандартной методике, а также ранее получен­ные данные других исследователей, приведены в табл. 27.

27. Электрическая прочность древесины некоторых пород

Порода	Влаж­ность, %	Электрическая прочность Епр, кВ/мм в направлении	Источник
радиальном	тангенциаль­ном	вдоль воло­кон
Сосна   Ель   Береза		5,9 1,4 6,0 1,4 9,1 1,4	7,2 1,5 7,2 1,3 7,6 1,2	1,45 0,76 1,35 0,87 1,26 0,50	В.М. Спиридонов и А.З. Хартанович (БТИ)
Береза Бук		- -	5,7 4,4	1,31 1,32	С.А.Кабаков (ЦНИИМОД)
Сосна		5,9	7,7	1,68	К.М. Ханмамедов

Как видно из табл. 27 электрическая прочность абсолютно сухой древесины вдоль волокон в 4-7 раз меньше, чем поперек. С повышением влажности электрическая прочность заметно снижается, при этом умень­шается различие между Е_пр вдоль и поперек волокон. По данным БТИ прочность снижается в 2 раза при изменении влажности с 10 до 14%. Электрическая прочность древесины по сравнению с другими твердыми изоляционными материалами невелика (у стекла Е_пр равна 30, у полиэти­лена - 40 кВ/мм).

Для повышения электрической прочности древесину пропитывают парафином, олифой, искусственными смолами и другими веществами.

Диэлектрические свойства древесины. Древесина, находящаяся в переменном электрическом поле, проявляет свои диэлектрические свойства, характеризующиеся двумя показателями. Первый из них- относительная диэлектрическая проницаемость ε - численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздуш­ным зазором между электродами. Второй показатель - тангенс угла диэлек­трических потерь tgδ определяет долю подведенной мощности, которая вследствие дипольнои поляризации древесины поглощается ею и превраща­ется в тепло. При этом вектор тока опережает вектор напряжения на угол, меньший, чем 90°. Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз φ до прямого, и называется углом диэлектрических потерь. Чем больше рассеиваемая в дре­весине мощность, тем больше угол δ. Методы определения диэлектриче­ских показателей древесины пока не стандартизованы. Применявшиеся раз­ными исследователями методы описаны в пособии [63].

Диэлектрическая проницаемость абсолютно сухой древесины примерно в 2 раза больше, чем воздуха (ε воздуха равна 1). С возрастанием плотности древесины показатель существенно увеличивает­ся. Значительно больше влияет увлажнение древесины (рис. 40).

Повышение частоты вызывает снижение ε. По обобщенным данным Г.И. Торговникова для широкого диапазона частот (10-10¹¹ Гц), включая область сверхвысоких частот (СВЧ), диэлектрическая проницаемость абсолютно сухой древесины поперек волокон ε_┴ при плотности ρ₀=130кг/м³ (бальза) в среднем составила 1,3, а при ρ₀= 800 кг/м³ (граб) - 2,6. Вдоль волокон ε_║ больше чем поперек ε_┴ в среднем в 1,4 раза.

Напомним, что область СВЧ охватывает диапазон длин волн от 1 м до 1 мм (частота ƒ = 3·10⁸ - 3·10¹¹ Гц).

Поскольку ε воды при частоте ƒ = 10-10¹¹ Гц составляет 81-7,5 с увеличением влажности древесины наблюдается соответствующее повыше­ние ε. Так, для древесины плотностью ρ₀ = 500 кг/м³ при W = 10% и t = 20°С на частоте 10⁴ Гц диэлектрическая проницаемость ε_┴ равна 4,2, на частоте 10¹⁰ Гц она равна 2,0, а при W = 60 % соответственно равна 65 и 6,6.

Повышение температуры от -40 до 100 °С приводит к незначитель­ному увеличению ε_┴ абсолютно сухой древесины (примерно в 1,3 раза) и более заметному увеличению ε_┴ (особенно на частотах до 10⁶ Гц) влажной древесины.

Тангенс угла диэлектрических потерь древесины также зависит от ее плотности. Поскольку потери в древесинном веществе значительно больше, чем в воздухе, с увеличением плотности древесины tgδ возрастает. По данным Г.И. Торговникова tgδ древесины поперек во­локон при плотности ρ₀ = 500 кг/м и комнатной температуре в диапазоне частот 10-10⁵ Гц составляет 0,005-0,007, а при плотности ρ_о = 800 кг/м³ этот показатель равен 0,007-0,025. При больших частотах также наблюда­ется увеличение tgδ.

Вдоль волокон tgδ выше, чем поперек волокон в среднем в 1,7 раза. С повышением влажности tgδ увеличивается (рис. 41). Зависимости этого показателя от частоты имеют сложный характер. Так, для древесины с плотностью ρ₀ = 500 кг/м³ при температуре 20 °С и влажности W = 80 % величина tgδ при частоте 10 Гц достигает 74, при частоте 10 Гц снижа­ется до 0,2, а в области СВЧ (ƒ = 10¹⁰ Гц] возрастает до 0,34. Повышение температуры абсолютно сухой древесины вызывает снижение tgδ, но в области СВЧ этот показатель возрастает. У влаж­ной древесины (W = 25 %) нагревание приводит к существенному возрастанию tgδ, однако в области СВЧ он меняется незначительно.

При диэлектрическом нагреве температура повышается одновремен­но по всему объему древесины. Такой способ нагрева можно использовать в процессах ее сушки, склеивания, пропитки и др. В последнее время на­ходит применение микроволновая сушка древесины в поле СВЧ. При рас­чете установок для диэлектрического нагрева используют формулу, в ко­торую входит в качестве параметра, характеризующего свойства нагревае­мого материала, показатель К=ε·tgδ, называемый фактором, или ко­эффициентом потерь. Величину К можно определить на основа­нии калориметрического измерения поглощаемой мощности. Этот показа­тель увеличивается с повышением влажности и температуры древесины.

Пьезоэлектрические свойства древесины. На поверхности некото­рых диэлектриков под действием механических напряжений появляются электрические заряды. Это явление, связанное с поляризацией диэлектри­ка, носит название прямого пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрические свойства были вначале обнаружены у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли и др. Эти материалы обладают также обратным пьезоэлектрическим эффектом, заключаю­щимся в том, что размеры их изменяются под действием электрического поля. Пластинки из этих кристаллов находят широкое применение в каче­стве излучателей и приемников в ультразвуковой технике.

Исследования В.А. Баженова показали, что такими свойствами обла­дает и древесина, содержащая ориентированный компонент - целлюлозу. Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сжимающей и растягивающей нагрузках под углом 45° к волокнам. Механические на­пряжения, направленные строго вдоль или поперек волокон пьезоэлектри­ческого эффекта не вызывают.

Максимальный пьезоэлектрический эффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается и уже при влажности 6-8 % почти совсем исчезает. С повышением температуры до 100 °С его показатели увеличиваются. Чем выше модуль упругости древесины, тем меньше пьезоэлектрический эффект.

Открытое явление позволяет глубже изучить тонкую структуру дре­весины. Показатели пьезоэлектрического эффекта могут служить количе­ственными характеристиками ориентации целлюлозы и поэтому очень важны для изучения анизотропии натуральной древесины и древесных ма­териалов. Это явление используется при разработке неразрушающих мето­дов контроля качества древесины.

Дата добавления: 2015-04-30