《木材学电学》PPT课件.ppt
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1、第第6 6章章 木材的物理性质木材的物理性质 主要介绍木材密度、木材的主要介绍木材密度、木材的含水状态、木材中水分的吸湿含水状态、木材中水分的吸湿与解吸、木材的干缩湿胀、木与解吸、木材的干缩湿胀、木材的电学性质、热学性质、声材的电学性质、热学性质、声学性质和光学性质。学性质和光学性质。6.3 木材的电学性质木材的电学性质 6.3.1 6.3.1 木材的导电性木材的导电性 6.3.2 6.3.2 木材的介电性木材的介电性 6.3.3 6.3.3 木木材材的的压压电电效效应应和和界界面面的的动动电电性质性质6.3.1 木材的导电性木材的导电性6.3.1.1 电阻率与电导率电阻率与电导率 6.3.1
2、.2 木材的电导原理木材的电导原理 6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素影响木材直流电导率的因素 电阻电阻 在一个固体的两端施加电压的电场在一个固体的两端施加电压的电场U,固体中通过的,固体中通过的电流电流I,那么该固体的电阻为,那么该固体的电阻为电阻率电阻率 是指单位截面积及单位长度上均匀导线的电阻值,是指单位截面积及单位长度上均匀导线的电阻值,是物体的固有属性,是物体的固有属性,电阻率越大则材料导电能力越弱电阻率越大则材料导电能力越弱。电。电阻率:阻率:A为导体的截面积(为导体的截面积(),),l是电场间导体的长度(是电场间导体的长度()。)。电导率电导率 是电阻率的倒数,电导率越大,
3、则说明材料导电能是电阻率的倒数,电导率越大,则说明材料导电能力越强。力越强。按照电阻率或电导率的大小,所有材料可以划分按照电阻率或电导率的大小,所有材料可以划分为为导体导体、半导体半导体 和和 绝缘体绝缘体(介电体)。(介电体)。导体导体 导体是导电能力强的材料,电阻率范围一般在导体是导电能力强的材料,电阻率范围一般在1010-8-81010-5-5,如金属等;,如金属等;绝缘体绝缘体 绝缘体的导电能力差,一般电阻率高于绝缘体的导电能力差,一般电阻率高于10108 8的材的材料可以称为绝缘体,如陶瓷、橡胶、塑料等;料可以称为绝缘体,如陶瓷、橡胶、塑料等;半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之
4、间的称为半导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。n绝干木材的电阻率为绝干木材的电阻率为10141016,为绝缘体。,为绝缘体。随着含水率的升高,木材的电阻率急剧下降;随着含水率的升高,木材的电阻率急剧下降;当含水率到达纤维饱和点时,电阻率为当含水率到达纤维饱和点时,电阻率为103104;室温下饱湿的木材的电阻率仅为;室温下饱湿的木材的电阻率仅为102103,已属于半绝缘体范围。,已属于半绝缘体范围。考察木材含水率从绝考察木材含水率从绝干状态上升至饱湿状态的过程中,可以发现其干状态上升至饱湿状态的过程中,可以发现其电导率增大了约电导率增大了约10111014倍。如此大的差异,倍。如此大
5、的差异,直观上确是受含水率影响所致,但其机理究竟直观上确是受含水率影响所致,但其机理究竟是什么?这需要从木材的电导原理来加以解释。是什么?这需要从木材的电导原理来加以解释。6.3.1.2 木材的电导原理木材的电导原理 1、木材导电性弱的主要原因、木材导电性弱的主要原因:木材的化学结构组成中木材的化学结构组成中不含有不含有导电性良好的导电性良好的自由电子。自由电子。2、木材具有微弱的导电性原因、木材具有微弱的导电性原因:通常认为,木材微弱的导电性是通常认为,木材微弱的导电性是离子引起离子引起的。的。离子是离子是构成木材的聚合物中的离子基缔结在一起的离构成木材的聚合物中的离子基缔结在一起的离子,或
6、是在木材含量很少的灰分(杂质物质)中含有子,或是在木材含量很少的灰分(杂质物质)中含有极少量的离子(如金属离子),这些微量的离子在电极少量的离子(如金属离子),这些微量的离子在电场作用下会定向移动。场作用下会定向移动。n木材在直流电场中木材在直流电场中,具有极化现象,即离子在电场中,具有极化现象,即离子在电场中定向移动。定向移动。n木材的极化现象木材的极化现象:木材中存在的离子可分为两类木材中存在的离子可分为两类。束缚离子束缚离子:一类为被吸附在胶束表面离子基上的束缚离一类为被吸附在胶束表面离子基上的束缚离子;子;自由离子自由离子:一类为处于自由状态、在受到外部电场作用一类为处于自由状态、在受
7、到外部电场作用时能够迁移电荷的自由离子。时能够迁移电荷的自由离子。木材的电导主要是靠自木材的电导主要是靠自由离子进行的,一般在细胞壁的由离子进行的,一般在细胞壁的非结晶区(纤维素、非结晶区(纤维素、半纤维素、木质素)半纤维素、木质素)发生发生 3、木材的极化现象、木材的极化现象n木材含水率在木材含水率在0%20%的范围内,影响电导的范围内,影响电导机理的主要因子是木材中的自由离子浓度机理的主要因子是木材中的自由离子浓度(载载流子的数目流子的数目);n在更高的含水率范围内,被吸着的束缚离子的在更高的含水率范围内,被吸着的束缚离子的解离度很高,离子迁移率上升为决定电导的主解离度很高,离子迁移率上升
8、为决定电导的主要因子。由于木材的电导依存于其要因子。由于木材的电导依存于其内部离子的内部离子的存在,存在,所以离子浓度的、分布的变化或两者的所以离子浓度的、分布的变化或两者的同时变化都将对木材电导产生影响。同时变化都将对木材电导产生影响。6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素影响木材直流电导率的因素(1)含水率)含水率 电导的活化能电导的活化能E是决定电导的主要因子,是决定电导的主要因子,E是是由由离解能量离解能量U和和迁移能迁移能S两者来决定的。两者来决定的。电导的活化能电导的活化能:每释放每释放1mol的束缚离子使其处于自的束缚离子使其处于自由状态所需的能量。由状态所需的能量。E=S+U
9、/2n具有强极性的水分子能够具有强极性的水分子能够削弱离子与吸着点之间的削弱离子与吸着点之间的结合,所以电导活化能受结合,所以电导活化能受木材含水率的影响。木材含水率的影响。n从绝干状态到纤维饱和点从绝干状态到纤维饱和点含水率,活化能下降,含水率,活化能下降,木木材电导率随含水率的增加材电导率随含水率的增加而急剧上升,而急剧上升,增大为初始增大为初始电导率的几百万倍;但从电导率的几百万倍;但从纤维饱和点至最大含水率,纤维饱和点至最大含水率,木材电导率的增加速度减木材电导率的增加速度减慢下来,仅增大几十倍慢下来,仅增大几十倍,见图见图6-156-15。(2)温度)温度 金属:电阻率随着温度升高而
10、增大;金属:电阻率随着温度升高而增大;木材:电阻率则随温度的升高而变小;木材:电阻率则随温度的升高而变小;当温度升高时,束缚离子被解离的概率增加,载当温度升高时,束缚离子被解离的概率增加,载流子数目随之增多,导致电导率增大。在流子数目随之增多,导致电导率增大。在0以上以上范围内,温度对全干材影响最为显著,随温度增范围内,温度对全干材影响最为显著,随温度增加,电阻率下降;从全干至纤维饱和点,随含水加,电阻率下降;从全干至纤维饱和点,随含水率的增加,温度影响变小。电导率与热力学温度率的增加,温度影响变小。电导率与热力学温度T的经验关系式如下:的经验关系式如下:(3)纹理方向)纹理方向 n 木材横纹
11、理方向(垂直于纤维方向)的电阻率较顺纹理木材横纹理方向(垂直于纤维方向)的电阻率较顺纹理方向的电阻率大。方向的电阻率大。n 针叶树材横纹理方向的电阻率约是顺纹理方向电阻率的针叶树材横纹理方向的电阻率约是顺纹理方向电阻率的倍;倍;在木材横纹理方向上,通常是弦向电阻率稍大于径向电在木材横纹理方向上,通常是弦向电阻率稍大于径向电阻率。阻率。n 阔叶树材通常达到倍。阔叶树材通常达到倍。(4)密度、树种和试材部位)密度、树种和试材部位 密度密度11、不同木材密度对于导电性也有一定的影响,但相不同木材密度对于导电性也有一定的影响,但相比含水率,它们的影响又是极小的,甚至是没有意义的。比含水率,它们的影响又
12、是极小的,甚至是没有意义的。2 2、一般来说,木材密度大,电阻率大;电导率小。、一般来说,木材密度大,电阻率大;电导率小。原因:原因:木材细胞壁实质的电阻率远较空气为小,电导率木材细胞壁实质的电阻率远较空气为小,电导率较密度小者为高。较密度小者为高。(但影响效果不明显,甚至对于某些个但影响效果不明显,甚至对于某些个别树种有相反情况别树种有相反情况)3 3、从我国、从我国3737种木材电阻率来看,不同密度的树种之种木材电阻率来看,不同密度的树种之间差异并不明显,仅密度差异较大的树种间,才能看出间差异并不明显,仅密度差异较大的树种间,才能看出密度大者,电阻率稍低的趋势。密度大者,电阻率稍低的趋势。
13、树种树种-电阻率产生差异。其差异大于密度因素影响的差电阻率产生差异。其差异大于密度因素影响的差异。因此,在直流式含水率电测仪中,通常设有树种异。因此,在直流式含水率电测仪中,通常设有树种因素的修正档,因素的修正档,试材部位试材部位-木材中不同部位的电阻率也存在差异。木材中不同部位的电阻率也存在差异。主要是心材和边材之间,主要是心材和边材之间,通常心材比边材电阻率通常心材比边材电阻率 低,低,这也是因为心材比边材含有更多的抽提物等内这也是因为心材比边材含有更多的抽提物等内 含物质。含物质。6.3.2 木材的介电性木材的介电性 交流电交流电方向和强度按某一频率周期性变化的电流称为方向和强度按某一频
14、率周期性变化的电流称为交流电。交流电按其频率的高低,大致可分为低频交流电。交流电按其频率的高低,大致可分为低频(含工含工频频)、射频、射频(又称高频又称高频)。木材的交流电性质木材的交流电性质是泛指木材在各种频率的交流电场是泛指木材在各种频率的交流电场作用下所呈现的各种特性,主要包括木材的介电性质参数作用下所呈现的各种特性,主要包括木材的介电性质参数(介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等)和交流电阻(介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等)和交流电阻率(或电导率)的变化规律及影响因素。率(或电导率)的变化规律及影响因素。6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应低频交流电作用下木材的电热效应
15、 6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性射频下木材的极化和介电性 6.3.2.3 木材的介电系数木材的介电系数6.3.2.4 木材的介电损耗木材的介电损耗 6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用木材的介电性在木材工业中的应用n6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应低频交流电作用下木材的电热效应n在交流电的低频区域,木材的电学性质与直流电情况下呈在交流电的低频区域,木材的电学性质与直流电情况下呈现同样特性。现同样特性。例如,在绝干状态下木材电阻极高,随着含水率的增加电例如,在绝干状态下木材电阻极高,随着含水率的增加电阻显著减小,这种变化到纤维饱和点以上时又趋于平缓。阻显著减小,
16、这种变化到纤维饱和点以上时又趋于平缓。6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性射频下木材的极化和介电性n射频射频-是频率很高的电磁波,又称高频,其频率范围大约是频率很高的电磁波,又称高频,其频率范围大约从直至几百甚至几千兆赫。从直至几百甚至几千兆赫。在木材工业中,用于高频电加热的频率通常在在木材工业中,用于高频电加热的频率通常在110MHz的范围;用于微波干燥的频率为的范围;用于微波干燥的频率为915MHz或。或。n介电性介电性是指物质受到电场作用时,构成物质的是指物质受到电场作用时,构成物质的带电粒子带电粒子只能只能产生微观上的位移产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质。而不能进行宏观
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