木材學(xué)電學(xué)精品課件

1、木材學(xué)電學(xué)第1頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 6.3 木材的電學(xué)性質(zhì) 6.3.1 木材的導(dǎo)電性 6.3.2 木材的介電性 6.3.3 木材的壓電效應(yīng)和界面的動(dòng)電性質(zhì)第2頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四6.3.1 木材的導(dǎo)電性6.3.1.1 電阻率與電導(dǎo)率 6.3.1.2 木材的電導(dǎo)原理 6.3.1.3 影響木材直流電導(dǎo)率的因素 第3頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四電阻 在一個(gè)固體的兩端施加電壓的電場(chǎng)U，固體中通過(guò)的電流I，那么該固體的電阻為電阻率 是指單位截面積及單位長(zhǎng)度上均勻?qū)Ь€的電阻值，是物體的固有屬性，電阻率越大則

2、材料導(dǎo)電能力越弱。電阻率： A為導(dǎo)體的截面積（ ），l是電場(chǎng)間導(dǎo)體的長(zhǎng)度（ ）。電導(dǎo)率 是電阻率的倒數(shù)，電導(dǎo)率越大，則說(shuō)明材料導(dǎo)電能力越強(qiáng)。第4頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四按照電阻率或電導(dǎo)率的大小，所有材料可以劃分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體 和 絕緣體（介電體）。導(dǎo)體 導(dǎo)體是導(dǎo)電能力強(qiáng)的材料，電阻率范圍一般在10-810-5，如金屬等；絕緣體 絕緣體的導(dǎo)電能力差，一般電阻率高于108的材料可以稱為絕緣體，如陶瓷、橡膠、塑料等；半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的稱為半導(dǎo)體。第5頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四絕干木材的電阻率為10141016，為絕緣體

3、。隨著含水率的升高，木材的電阻率急劇下降；當(dāng)含水率到達(dá)纖維飽和點(diǎn)時(shí)，電阻率為103104；室溫下飽濕的木材的電阻率僅為102103，已屬于半絕緣體范圍?？疾炷静暮蕪慕^干狀態(tài)上升至飽濕狀態(tài)的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率增大了約10111014倍。如此大的差異，直觀上確是受含水率影響所致，但其機(jī)理究竟是什么？這需要從木材的電導(dǎo)原理來(lái)加以解釋。第6頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四6.3.1.2 木材的電導(dǎo)原理 1、木材導(dǎo)電性弱的主要原因: 木材的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成中不含有導(dǎo)電性良好的自由電子。 2、木材具有微弱的導(dǎo)電性原因: 通常認(rèn)為，木材微弱的導(dǎo)電性是離子引起的。 離子是構(gòu)成木材

4、的聚合物中的離子基締結(jié)在一起的離子，或是在木材含量很少的灰分（雜質(zhì)物質(zhì)）中含有極少量的離子（如金屬離子），這些微量的離子在電場(chǎng)作用下會(huì)定向移動(dòng)。第7頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四木材在直流電場(chǎng)中，具有極化現(xiàn)象，即離子在電場(chǎng)中定向移動(dòng)。木材的極化現(xiàn)象:木材中存在的離子可分為兩類。 束縛離子:一類為被吸附在膠束表面離子基上的束縛離子； 自由離子:一類為處于自由狀態(tài)、在受到外部電場(chǎng)作用時(shí)能夠遷移電荷的自由離子。木材的電導(dǎo)主要是靠自由離子進(jìn)行的，一般在細(xì)胞壁的非結(jié)晶區(qū)（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素）發(fā)生 3、木材的極化現(xiàn)象第8頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期

5、四木材含水率在0%20%的范圍內(nèi)，影響電導(dǎo)機(jī)理的主要因子是木材中的自由離子濃度(載流子的數(shù)目)；在更高的含水率范圍內(nèi)，被吸著的束縛離子的解離度很高，離子遷移率上升為決定電導(dǎo)的主要因子。由于木材的電導(dǎo)依存于其內(nèi)部離子的存在，所以離子濃度的、分布的變化或兩者的同時(shí)變化都將對(duì)木材電導(dǎo)產(chǎn)生影響。 第9頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四6.3.1.3 影響木材直流電導(dǎo)率的因素 （1）含水率 電導(dǎo)的活化能E是決定電導(dǎo)的主要因子，E是由離解能量U和遷移能S兩者來(lái)決定的。 電導(dǎo)的活化能:每釋放1mol的束縛離子使其處于自由狀態(tài)所需的能量。E=S+U/2第10頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月

6、20日，2點(diǎn)10分，星期四具有強(qiáng)極性的水分子能夠削弱離子與吸著點(diǎn)之間的結(jié)合，所以電導(dǎo)活化能受木材含水率的影響。從絕干狀態(tài)到纖維飽和點(diǎn)含水率，活化能下降，木材電導(dǎo)率隨含水率的增加而急劇上升，增大為初始電導(dǎo)率的幾百萬(wàn)倍；但從纖維飽和點(diǎn)至最大含水率，木材電導(dǎo)率的增加速度減慢下來(lái)，僅增大幾十倍，見(jiàn)圖6-15。 第11頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 （2）溫度 金屬：電阻率隨著溫度升高而增大； 木材：電阻率則隨溫度的升高而變??； 當(dāng)溫度升高時(shí)，束縛離子被解離的概率增加，載流子數(shù)目隨之增多，導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。在0以上范圍內(nèi)，溫度對(duì)全干材影響最為顯著，隨溫度增加，電阻率下降；從全干至

7、纖維飽和點(diǎn)，隨含水率的增加，溫度影響變小。電導(dǎo)率與熱力學(xué)溫度T的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下： 第12頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 （3）紋理方向 木材橫紋理方向（垂直于纖維方向）的電阻率較順紋理方向的電阻率大。 針葉樹材橫紋理方向的電阻率約是順紋理方向電阻率的2.34.5倍； 在木材橫紋理方向上，通常是弦向電阻率稍大于徑向電阻率。 闊葉樹材通常達(dá)到2.58.0倍。第13頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 （4）密度、樹種和試材部位 密度1、不同木材密度對(duì)于導(dǎo)電性也有一定的影響，但相比含水率，它們的影響又是極小的，甚至是沒(méi)有意義的。 2、一般來(lái)說(shuō)，木材密度大

8、，電阻率大；電導(dǎo)率小。原因：木材細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)的電阻率遠(yuǎn)較空氣為小，電導(dǎo)率較密度小者為高。 (但影響效果不明顯，甚至對(duì)于某些個(gè)別樹種有相反情況) 3、從我國(guó)37種木材電阻率來(lái)看，不同密度的樹種之間差異并不明顯，僅密度差異較大的樹種間，才能看出密度大者，電阻率稍低的趨勢(shì)。 第14頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四樹種-電阻率產(chǎn)生差異。其差異大于密度因素影響的差異。因此，在直流式含水率電測(cè)儀中，通常設(shè)有樹種因素的修正檔， 試材部位-木材中不同部位的電阻率也存在差異。 主要是心材和邊材之間，通常心材比邊材電阻率 低，這也是因?yàn)樾牟谋冗叢暮懈嗟某樘嵛锏葍?nèi) 含物質(zhì)。 第15頁(yè)，共4

9、0頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四6.3.2 木材的介電性 交流電方向和強(qiáng)度按某一頻率周期性變化的電流稱為交流電。交流電按其頻率的高低，大致可分為低頻(含工頻)、射頻(又稱高頻)。 木材的交流電性質(zhì)是泛指木材在各種頻率的交流電場(chǎng)作用下所呈現(xiàn)的各種特性，主要包括木材的介電性質(zhì)參數(shù)（介電系數(shù)、損耗角正切、介質(zhì)損耗因數(shù)等）和交流電阻率（或電導(dǎo)率）的變化規(guī)律及影響因素。第16頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應(yīng) 6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性 6.3.2.3 木材的介電系數(shù)6.3.2.4 木材的介電損耗 6.3.

10、2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應(yīng)用第17頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應(yīng)在交流電的低頻區(qū)域，木材的電學(xué)性質(zhì)與直流電情況下呈現(xiàn)同樣特性。 例如，在絕干狀態(tài)下木材電阻極高，隨著含水率的增加電阻顯著減小，這種變化到纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)又趨于平緩。第18頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性射頻-是頻率很高的電磁波，又稱高頻，其頻率范圍大約從0.2MHz直至幾百甚至幾千兆赫。 在木材工業(yè)中，用于高頻電加熱的頻率通常在110MHz的范圍；用于微波干燥的頻率為915MHz或2.

11、45GHz。 介電性是指物質(zhì)受到電場(chǎng)作用時(shí)，構(gòu)成物質(zhì)的帶電粒子只能產(chǎn)生微觀上的位移而不能進(jìn)行宏觀上的遷移的性質(zhì)。介電體表現(xiàn)出介電性的物質(zhì)。 第19頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四其中a所示為金屬等良導(dǎo)體在直流電場(chǎng)中通過(guò)電子的遷移產(chǎn)生了電流，b則表示介電體中的帶電微粒在外電場(chǎng)的作用下排列發(fā)生變化，即發(fā)生了極化現(xiàn)象。第20頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四木材中的極化現(xiàn)象有，電子極化、離子極化等。但在木材的介電性中，主要考察與木材細(xì)胞壁成分中的極性基團(tuán)相關(guān)的取向極化和與各向異性相關(guān)的界面極化。 偶極（取向）極化：由于偶極分子或基團(tuán)在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生回

12、轉(zhuǎn)取向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。在木材中不僅有纖維素、半纖維素、木素的大分子發(fā)生取向極化，而且木材中的-OH和-CH2OH等極性基團(tuán)在外電場(chǎng)的作用下也會(huì)相對(duì)于大分子的其它部分作回轉(zhuǎn)取向運(yùn)動(dòng)界面（結(jié)構(gòu)）極化：由于介電體的各向異性而產(chǎn)生的，在濕木材中，水分和細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)的導(dǎo)電性有明顯的差別，在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生偶極矩，界面極化在加電場(chǎng)后10-310-8秒內(nèi)產(chǎn)生。 第21頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四絕干木材屬于極性介電體。低含水率的木材也仍可以看作是極性介電體。隨著含水率的上升，木材中離子的遷移率增大，因此高含水率的木材表現(xiàn)出明顯的導(dǎo)電性，而介電性不明顯。木材的介電性主要由介電系數(shù)和損耗

13、角正切表示。第22頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 6.3.2.3 木材的介電系數(shù)（1）介電系數(shù) 表征木材在交流電場(chǎng)作用下介質(zhì)的極化強(qiáng)度和介電體存儲(chǔ)電荷能力的物理參數(shù)。 定義：木材介質(zhì)電容器的電容量與同體積尺寸、同幾何形狀的真空電容器的電容量之比值。通常取為介質(zhì)電容C與空氣電容C0之比。 介電系數(shù)值越小，電絕緣性越好，導(dǎo)電性能越差。 水的介電系數(shù)為81，硬質(zhì)陶瓷的介電系數(shù)為5.73，云母的介電系數(shù)為7.17.7。絕干木材的介電系數(shù)約為2，濕材的介電系數(shù)大于干材； 木材橫紋理方向的介電系數(shù)小于順紋理方向。如絕干櫟木的順紋介電系數(shù)為3.64，橫紋介電系數(shù)為2.46。第23頁(yè)

14、，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四（2）影響木材介電系數(shù)的因素 主要包括木材含水率、密度、頻率、樹種、紋理方向、電場(chǎng)方向等。 含水率的影響 在溫度和頻率不變的條件下，木材的介電系數(shù)隨含水率u的增加而增大。 第24頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 密度的影響 木材的介電系數(shù)隨密度的增加而增大。由于實(shí)質(zhì)率增大，單位木材體積內(nèi)偶極子數(shù)目增多，增強(qiáng)了木材的極化反應(yīng)，所以木材的介電系數(shù)隨之增大。 頻率的影響 在相同含水率、溫度條件下，木材介電系數(shù)隨頻率的增加而逐漸減小。在射頻范圍內(nèi)，對(duì)介質(zhì)極化起主要作用的是偶極子取向運(yùn)動(dòng)引起的偶極極化；當(dāng)頻率不斷升高時(shí)，偶極子

15、的取向運(yùn)動(dòng)跟不上外施電場(chǎng)的變化，使極化作用降低，介電系數(shù)減小。 紋理方向 木材介電系數(shù)具有各向異性。引起這種差異的主要原因在于木材構(gòu)造的各向異性，由于大多數(shù)的纖維素大分子的排列方向與細(xì)胞長(zhǎng)軸方向近于平行，而且絕大多數(shù)細(xì)胞沿順紋方向排列，纖維素非結(jié)晶區(qū)的羥基在順紋方向比在橫紋方向具有更大的自由度，易于在電場(chǎng)作用下取向運(yùn)動(dòng)，所以縱向的介電系數(shù)大于橫紋方向。徑向和弦向的介電系數(shù)之間差異很小。 順紋方向的介電系數(shù)比橫紋方向的介電系數(shù)大30%60%，隨著含水率的升高。 第25頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 6.3.2.4 木材的介電損耗 木材處于交流電場(chǎng)中，由于偶極子運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)

16、摩擦阻力等相互間的作用，使介質(zhì)偶極矩取向滯后于外施電場(chǎng)的變化，宏觀表現(xiàn)為通過(guò)介質(zhì)的總電流I在相位上滯后于極化電流Ic，這樣每一周期中有一部分電能被介質(zhì)吸收發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)損耗。 第26頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四第27頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四第28頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四第29頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四功率因數(shù)：每周期之內(nèi)有功功率（熱消耗功率）與視在功率（等于外施電壓與總電流的乘積）之比，在數(shù)值上等于熱耗電流與總電流之比。 （2）介質(zhì)損耗因數(shù)（也稱介電損耗率） 等于介

17、電系數(shù)與損耗角正切的乘積。木材作為介電材料時(shí)，希望介電損耗盡量小；當(dāng)在高頻加熱和膠合木材時(shí)，希望介電損耗大，功率因數(shù)高，發(fā)熱量大，使木材的加熱和膠合效果好。 （1）損耗角正切和功率因數(shù) 損耗角正切tg：介質(zhì)在交流電場(chǎng)中每周期內(nèi)熱消耗的能量與充放電所用能量之比，在數(shù)值上等于熱耗電流IR與充放電電流IC之比。第30頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四（3）影響木材介質(zhì)損耗的主要因素 含水率的影響 在相同頻率下，木材損耗角正切與含水率u的關(guān)系為：在纖維飽和點(diǎn)以下，隨u的增加而明顯增大，但是在纖維飽和點(diǎn)以上，這種變化趨于平緩。 第31頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分

18、，星期四 頻率的影響 木材的介質(zhì)損耗與頻率的關(guān)系十分復(fù)雜。第32頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 密度的影響 介質(zhì)損耗因數(shù)與密度有著明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨的增加線性地增大。 紋理方向的影響 木材的損耗角正切和介質(zhì)損耗因數(shù)：主要表現(xiàn)在其順紋方向的測(cè)量值大于橫紋方向(徑向和弦向)，橫紋中通常是徑向測(cè)量值略高于弦向 第33頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應(yīng)用 (1)交流介電式水分儀 通過(guò)測(cè)定木材的介電參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化成含水率的方法可以測(cè)定木材的含水率。 (2)木材及木制品的高頻熱固化膠合工藝 木材在低含水率狀態(tài)下屬于極性介電體，所以當(dāng)把熱固性的濕膠黏劑施于木材表面時(shí)，由于兩者的介電性不同，可以達(dá)到選擇性加熱的目的。膠黏劑在高頻電場(chǎng)中產(chǎn)生的介電損耗比干木材大得多，因此損耗的電能轉(zhuǎn)化成熱能，使膠黏劑的溫度迅速升高，產(chǎn)生熱聚合。 第34頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)10分，星期四 (3) 高頻干燥技術(shù) 高頻干燥機(jī)理：是利用濕木材中的水分子在高頻電場(chǎng)中的極化來(lái)加快干燥進(jìn)程。當(dāng)木材被置于高頻電場(chǎng)或超高頻電磁波場(chǎng)（即微波場(chǎng)）時(shí)，木材中大量的偶極子（分子中的極性基團(tuán)以及含水木材中的水分子等）會(huì)在電場(chǎng)作用下做取向極化運(yùn)