Электропроводность и электрическая прочность древесины. 
Диэлектрические и пьезоэлектрические свойства древесины. 
Практическое значение электрических свойств древесины в деревообрабатывающих производствах

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 определяет препятствие прохождению тока по поверхности образца.

Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и поверхностное сопротивления. Электропроводность — это способность древесины проводить электрический ток. Характеристикой электропроводности является электрическое сопротивление.

Электропроводность древесины зависит от породы, температуры, направления волокон и ее влажности. Электропроводность древесины имеет значение в случае ее применения для столбов линий электропередач, линий связи, рукояток электроинструментов.

Электрическая прочность. Способность древесины противостоять пробою, т. е. снижению сопротивления при больших напряжениях, называется электрической прочностью.

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 вдоль и поперек волокон.

С увеличением температуры и влажности электрическая прочность уменьшается. В таблице 1 приведена электрическая прочность древесины некоторых пород .

Таблица 1. Электрическая прочность древесины некоторых пород.

Из данных таблицы 1 видно, что при влажности 0% береза в радиальном и тангенциальном направлении имеет наибольшую электрическую прочность, а вдоль волокон наименьшую. При влажности 33% в радиальном направлении наибольшую электрическую прочность имеет сосна, а наименьшую береза. Для повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности при использовании ее в качестве изолятора древесину пропитывают трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами. Древесина в сухом состоянии не проводит электрический ток, т. е. она является диэлектриком. Диэлектрические свойства древесины. Древесина, находящаяся в переменном электрическом поле, проявляет свои диэлектрические свойства, характеризующиеся двумя показателями. Первый из них — относительная диэлектрическая проницаемость — численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Второй показатель — тангенс угла диэлектрических потерь tgd — определяет долю подведенной мощности, которая вследствие дипольной поляризации древесины поглощается ею и превращается в теплоту. Диэлектрическая проницаемость абсолютно сухой древесины с увеличением плотности возрастает.

Так, у древесины бальзы (0 = 130 кг/) диэлектрическая проницаемость поперек волокон в диапазоне частот 10… Гц составляет в среднем 1,3, а у граба (0 = 800 кг/) — 2,6. Проницаемость вдоль волоконбольше в среднем в 1,4 раза. С повышением влажности древесины увеличивается, так как для воды величина этого показателя в диапазоне частот 10… Гц составляет 81…7,5. По данным Г. И. Торговникова, при влажности 10% и температуре 20С для древесины плотностью 0 = 500 кг/ на частоте Гц равна 4,2, на частоте Гц — 2,0, а при влажности 60% - соответственно равна 65 и 6,6. Увеличение температуры от — 40 до 100С для абсолютно сухой древесины приводит к незначительному увеличению (примерно в 1,3 раза). Повышение температуры влажной древесины приводит к более существенному увеличению. Тангенс угла диэлектрических потерь также зависит от плотности древесины. Поперек волокон tg при плотности 0 = 500 кг/ и комнатной температуре в диапазоне частот 10… Гц составляет 0,005…0,007, а при плотности 0 = 800 кг/этот показатель равен 0,007…0,025. Вдоль волокон tg выше, чем поперек волокон, в среднем в 1,7 раза. С повышением влажности tg увеличивается. Зависимости этого показателя от частоты имеют сложный характер. Так, для древесины с плотностью 0 = 500 кг/ при температуре 20С и влажности 80% значение tg при частоте Гц достигает 74, при частоте Гц снижается до 0,2, а в области сверхвысоких частот (Гц) возрастает до 0,34. Повышение температуры абсолютно сухой древесины вызывает снижение tg, но в области СВЧ этот показатель возрастает. У влажной древесины (W= 25%) нагревание приводит к существенному возрастанию tg, но в области СВЧ он меняется не значительно .

При диэлектрическом нагревании температура повышается одновременно по всему объему древесины. Такой способ нагревания находит практическое применение в процессах сушки, склеивания и пропитки древесины. Нагревание в поле СВЧ можно использовать для сушки древесины, для поверхностного оттаивания бревен перед окоркой и распиловкой .

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.

Пьезоэлектрические свойства были обнаружены также в древесине. Было установлено, что основной носитель пьезоэлектрических свойств в древесине — ее ориентированный компонент — целлюлоза. Интенсивность поляризации древесины пропорциональна величине механических напряжений от приложенных внешних усилий; коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрическим модулем. Количественное изучение пьезоэлектрического э эффекта, таким образом, сводится к определению значений пьезоэлектрических модулей. В связи с анизотропией механических и пьезоэлектрических свойств древесины указанные показатели зависят от направления механических усилий и вектора поляризации.

Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сжимающей и растягивающей нагрузках под углом 45° к волокнам. Механические напряжения, направленные строго вдоль или поперек волокон, не вызывают в древесине пьезоэлектрического эффекта. Максимальный пьезоэлектрический эффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается, а затем и совсем исчезает. Так, уже при влажности 6—8% величина пьезоэлектрического эффекта очень мала. С повышением температуры до 100° С величина пьезоэлектрического модуля увеличивается. При малой упругой деформации (высоком модуле упругости) древесины пьезоэлектрический модуль уменьшается. 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 новых древесных материалов с заданными в определенных направлениях свойствами. Данное явление используется при разработке неразрушающих методов контроля качества древесины. Определить величину и коэффициент разбухания сосновой доски в тангенциальном направлении, если ее размер в этом направлении при увлажнении от 0 до 20% изменился от 135 до 140,2 мм Полное разбухание, %, вычисляют, округляя результат до 0,1%, по формуле:

_max=(a_max-a_min)/a_min*100=(140,2−135)/135*100=3,9%.

где amax и amin — размер, мм, образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии.

Коэффициент разбухания на 1% процент влажности вычисляют, округляя результат до 0,01%, по формуле:

===0,19.

где W_(п.н.) — предел насыщения клеточных стенок.