Электрические 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 определяет препятствие прохождению тока по поверхности образца.

Наибольшее значение для характеристики электропроводности материала имеет первый вид сопротивления, показателем которого служит удельное объемное сопротивление ρ _v, имеющее размерность Ом·см и численно равное сопротивлению при прохождении тока через две противоположные грани кубика размерами 1´1´1 см из конкретной породы древесины.

Данные об удельном объемном сопротивлении абсолютно сухой древесины основных пород поперек (в радиальном направлении) и вдоль подокон приведены в табл. 5. Эти данные свидетельствуют о том, что древесина относится к диэлектрикам, для которых ρ _v = 10⁸ - 10¹⁷ Ом·см. Этот показатель вдоль волокон у большинства пород в несколько раз меньше, чем поперек. С повышением влажности древесины ее сопротивление уменьшается. Особенно большое влияние на электропроводность оказывает связанная вода.

 

Таблица 5

Удельное объемное сопротивление древесины в абсолютно сухом состоянии

 

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

 

Повышение температуры - к уменьшению объемного сопротивления древесины. Наибольшее влияние температуры заметно при сравнительно низкой влажности древесины. Так, увеличение температуры от 20 до 94 ^оC снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в 106 раз, а древесины влажностью 22-24% - всего лишь в 102 раз. На этих зависимостях основано устройство кондуктометрических влагомеров. Наиболее точные показания они дают при влажности ниже предела насыщения клеточных стенок, т.е. в области особенно сильного влияния влажности на электропроводность.

У разных пород электропроводность различная, но при этом у всех пород вдоль волокон она в несколько раз больше, чем поперек волокон.

Электропроводность древесины учитывается в тех случаях, когда древесину применяют для столбов связи, мачт линий высоковольтных передач, рукояток электроинструментов и т.д.

Электрическая прочность древесины. Способность противостоять пробою, т.е. снижению сопротивления при больших напряжениях, называется электрической прочностью. Для определения этой величины имеется ГОСТ 18407-73. Так, при влажности 10% электрическая прочность сосны в радиальном направлении равна 5,9 кВ/мм, вдоль волокон - 1,68 кВ/мм (у стекла эта величина - 30, у полиэтилена -40 кВ/мм). Для повышения древесину пропитывают парафином, олифой и другими веществами.

Диэлектрические свойства древесины. Древесина, находящаяся в переменном электрическом поле, проявляет свои диэлектрические свойства, характеризующиеся двумя показателями:

1 - относительная электрическая проницаемость - численно равная отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами;

2 - тангенс угла диэлектрических потерь определяет долю подведенной мощности, которая поглощается ею и превращается в тепло.

При этом вектор тока опережает вектор напряжения на угол меньший, чем 900. Угол, дополняющий угол сдвига фаз до прямого, называется углом диэлектрических потерь. Чем больше рассеиваемая в древесине мощность, тем больше угол. Диэлектрическая проницаемость древесинного вещества всего лишь в 3-6 раз больше этого показателя для воздуха, которая равна 1. С повышением влажности древесины диэлектрическая проницаемость существенно увеличивается, т.к. для воды она равняется 81. Такая зависимость от воды наблюдается в широком диапазоне частот (3·10² - 3·10⁹ Гц), поэтому это свойство используется для диэлектрического нагрева древесины и находит практическое применение в процессах ее сушки, склеивания и пропитки. Нагрев в поле СВЧ можно использовать для поверхностного оттаивания бревен перед окоркой и непосредственно для окорки, что особенно важно в зимний период.

Пьезоэлектрические свойства древесины. На поверхности древесины, как диэлектрика, под действием механических напряжений появляются электрические заряды. Это явление, связанное с поляризацией диэлектрика, носит название прямого пьезоэлектрического эффекта (слово «пьезо» означает давление). Максимальный эффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается, а при влажности 6-8% он почти совсем исчезает. Основным носителем этого эффекта является целлюлоза, а интенсивность поляризации пропорциональна величине механических напряжений от приложенных внешних усилий. Коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрическим модулем. Его величина находится в пределах (85-206) фКл/м²/Па (1 фемтокулон = 10^-15 Кл).

Звуковые свойства древесины

 

Распространение звука в древесине. Звук, как известно, представляет собой механические волновые колебания, распространяющиеся в упругих средах. Особенности распространения звуковых колебаний зависят от физических свойств среды и характеризуются рядом показателей.

Скорость распространения звука - звукопроводность тем больше, чем меньше плотность материала и выше его жесткость (модуль упругости). При распространении волн в длинном стержне в направлении колебательного движения частиц материала (продольные волны) скорость звука, м/с, определяется из соотношения

 

,                                          (18)

 

где Е - динамический модуль упругости, Н/м²; r - плотность материала, кг/м³.

В среднем скорость звука в древесине вдоль волокон составляет 5000 м/с. В плоскости поперек волокон скорость звука примерно в 3-4 раза меньше, чем вдоль волокон, причем в радиальном направлении она несколько выше, чем в тангенциальном. С увеличением влажности и температуры древесины скорость распространения звука уменьшается. Скорость звука в других материалах, м/с: в стали - 5050, свинце - 1200, воздухе - 330, каучуке - 30.

Средние значения скорости распространения звука при продольных колебаниях для комнатно-сухой древесины некоторых пород приведена ниже:

 

Порода                Лиственница Сосна Береза

 

Скорость звука, м/с     4930      5360   5530

 

Важной характеристикой древесины при оценке ее способности отражать и проводить звук является акустическое сопротивление, Па·с/м,

 

R = r C.                                        (19)

Величина этого показателя для комнатно-сухой древесины вдоль волокон указана ниже:

 

Порода             Лиственница Сосна  Береза

 

10⁵ Па·с/м                 33           28         29

 

Для сравнения укажем, что воздух имеет акустическое сопротивление 429, каучук - 3·10³, а сталь - 393·10⁵ Па·с/м. По мере распространения звуковых волн в материале вследствие потерь энергии на внутреннее трение происходит затухание колебаний. Для характеристики скорости затухания колебаний и одновременно величины внутреннего трения (вязкости) материала используют показатель d - логарифмический декремент колебаний, численно равный натуральному логарифму отношения двух амплитуд, отделенных друг от друга интервалом в один период.

Так, для сосны при влажности 7% и изгибных колебаниях декремент равен 207·10⁴ Нп (непер - отношение двух физических величин, натуральный логарифм которого равен единице).

Показатели, характеризующие распространение звука в древесине, используют для определения ее упругих постоянных и прочности. Ультразвуковые испытания древесины позволяют обнаружить скрытые дефекты. Так, в свежесрубленных деревьях по изменению скорости распространения ультразвука в поперечных сечениях ствола можно обнаружить внутреннюю гниль и устанавливать ее протяженность по длине ствола.

Звукоизолирующая и звукопоглощающая способность древесины. Звукопоглощающая способность древесины характеризуется ослаблением интенсивности прошедшего через нее звука. Величина этой характеристики может быть определена по разности уровней звукового давления перед и за перегородкой из древесины, а также по относительному уменьшению силы звука, называемому коэффициентом звукопроницаемости. Так, при толщине 3 см звукоизоляция сосновой древесины составила 12 дБ, коэффициент равен 0,065. По строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40 дБ, между этажных перекрытий - 48 дБ. Отсюда видно, что звукоизолирующие способности массивной древесины сравнительно невелики.

Для характеристики древесины поглощать звук используют коэффициент звукопоглощения, представляющий собой отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к энергии плоской падающей волны. Коэффициент звукопоглощения сосновой перегородки толщиной 19 мм в диапазоне частот 100-4000 Гц находится в пределах 0,081 - 0,110.

Резонансная способность древесины. Древесина широко применяется для изготовления излучателей звука (дек), музыкальных инструментов. Эту древесину называют резонансной. Значительная часть проводимой от струны к деке колебательной энергии расходуется на потери внутри материала деки, а также в местах ее закрепления на корпусе инструмента. Лишь 3-5% общей энергии излучается в воздух в виде звука.

Качество материала, обеспечивающего наибольшее излучение звука, оценивается по так называемой акустической константе, м⁴ /(кг·с):

 

                                      (20)

 

где Е - динамический модуль упругости, Н/м²; r - плотность древесины, кг/м³.

Наибольшая величина акустической константы характерна для древесины ели, пихты, кедра, она составляет примерно 12 м⁴/(кг·с).

Заготовки из резонансной древесины должны согласно ГОСТ 6900-83 удовлетворять ряду требований. Ширина годичных слоев должна быть в пределах 1-4 мм, а содержание поздней древесины в них должно быть не более 30% (для дек концертных роялей - не более 20%); древесина не должна содержать сучков, должна быть прямослойной и не должна содержать крени и наклона волокон.

Кроме того, известно, что наилучшими акустическими характеристиками обладает древесина длительной (50 лет и более) выдержки. В течение старения в ней изменяется содержание гемицеллюлоз, такая древесина более устойчива к температурно-влажностным воздействиям, и изготовленные из нее инструменты звучат чище и стабильней.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое плотность?

2. Что такое древесинное вещество?

3. Раскрыть понятие «базисная плотность».

4. Назвать основные тепловые свойства древесины.

5. В каких приборах используется электропроводность древесины.

6. Что такое акустическая константа?

7. Назвать основное требование к резонансной древесине.