Материалы
IV
Международной
научно-технической
школы-конференции
14-18
ноября
2006 г.
МОСКВА
МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ
– 2
0
0 6
МИРЭА
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПОЛЯ
ТЕРМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
В
ПРИРОДНОЙ ДРЕВЕСИНЕ
ã 2006
г.
Н.Ю.
ЕВСИКОВА, В.В. ПОСТНИКОВ, Н.Н. МАТВЕЕВ, В.И.ЛИСИЦЫН
Воронежская
государственная лесотехническая академия, г.
Воронеж
E-mail:
vvpost@icmail.ru
Как
известно [1], природная древесина представляет собой
гетерогенный материал биологического происхождения, состоящий из
клеток. Около
95% вещества клеточных оболочек составляют целлюлоза, гемицеллюлозы и
лигнин.
Процентное содержание компонентов зависит от породы древесины.
Например,
целлюлозы оказывается несколько больше в хвойных породах и меньше
– в
лиственных [2].
Большая
часть вещества древесины состоит из высокомолекулярных
соединений. Это
обстоятельство позволяет примененять для исследования ее физических
свойств
методики, используемые в физике полимеров. Среди полимеров можно
выделить два
важнейших класса – линейные и сеточные (сшитые) [3]. В
некоторых работах (см.,
например, [4]) древесину представляют как
лингоуглеводную сетку. В предлагаемой работе лигнин древесины
рассматривается
как сшитый эластомер, являющийся «растворителем»
кристаллической целлюлозы.
Сшитые
эластомеры в ближнем порядке имеют структуру, аналогичную жидкостям,
коэффициенты теплового расширения и сжатия у них существенно отличаются
от
таковых для кристаллов. Так, например, температурные коэффициенты
расширения
для металлов составляют величину порядка 6·10-5
К-1,
в то
время как у органических полимеров –
(3÷6)·10-4
К-1;
коэффициенты сжатия различаются еще больше (примерно в 50 раз). В силу
этого
неоднородные температурные поля неизбежно будут оказывать сильное
воздействие
на физические свойства древесины.
Поскольку
вещество
древесины имеет довольно низкую теплопроводность, в естественных
условиях,
например, при понижении температуры окружающей среды на
,
в
стволе возникает неоднородное
температурное поле. Тепловое сжатие лигнина при этом приведет к
возникновению
пьезоэлектрического эффекта в кристаллической целлюлозе [5], то есть к
появлению в древесине электрического поля термического происхождения,
индукцию dDi
которого можно представить
в виде [6]:
.
Здесь
γi -
пироэлектрический коэффициент целлюлозы, eij
–
тензор диэлектрической проницаемости, dijk
– тензор пьезоэлектрических модулей, а dsjk=
– механические напряжения, возникающие в древесине при малом
изменении температуры dT.
В
работе [7] на примере
простой модели, в которой
ствол дерева
моделировался бесконечно длинным цилиндром радиуса r0
(поскольку высота цилиндра в десятки
раз превышает
радиус), а пьезомодули dkij,,
компоненты тензора
диэлектрической проницаемости (εk)
и пироэлектрического
коэффициента древесины (γki)
считались не зависимыми от
координат (древесина считалась однородной), было получено выражение для
напряженности электрического поля в радиальном направлении:
.
(1)
На
рисунке 1
представлено распределение неоднородности электрического поля
термического
происхождения по радиальной составляющей в стволе дерева. Здесь Е0
-
модуль максимального значения напряженности электрического поля в
момент времени
t определяется
как
и
зависит от пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств древесины.
Из
(1) путем интегрирования по от
r
до r0
получается
выражение для разности потенциалов вдоль радиуса ствола дерева:
,
(2)
где
- максимальное значение разности потенциалов, зависящее от
свойств
древесины, r0
– радиус ствола. На
рисунке 2 представлена теоретическая зависимость разности потенциалов
вдоль
радиуса в стволе дерева.
Эксперименты
по измерению разности потенциалов вдоль радиальной составляющей в
стволах
деревьев различных пород подтвердили, что максимальное значение
разности
потенциалов Umax
линейно зависит от разницы температур (рис.3). Измерения проводились в
разное
время суток при наличии неоднородности температуры в стволе дерева,
которая не
превышала 3К.
Приведенные на рис. 4 экспериментальные значения изменения разности потенциалов вдоль радиуса ствола березы также хорошо согласуются с теоретическими оценками, рассчитанными по формуле (2).
Полученные
результаты позволяют
утверждать, что
в стволе дерева действительно существуют электрические поля
термического
происхождения.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Курьянова
Т.К., Косиченко Н.Е., Платонов А.Д.
Микроскопическое строение основных типов древесины: -
Воронеж: ВГЛТА, 2003. - 31с.
2.
Богомолов
Б.Д.
Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений.
– М: Химия, 1973.
– 400 с.
3.
Бартенев
Г.М., Зеленев
Ю.В.
Физика и механика полимеров: – М.: Высшая школа, 1983.
- 390с.
4.
Эриньш
П.П., Кулькевица И.Ф.
Исследования природы деформации древесины при разных
способах ее пластификации. // Химия древесины. 1981, №3, с 90-95; №5, с
13-21.
5.
Баженов
В.А.
Пьезоэлектрические
свойства древесины. М.: Академия наук, 1959. - 200с.
6.
Румянцев
В.С., Богомолов А.А.
Тепловой эффект Баркгаузена и градиенты температур в
сегнетоэлектрических кристаллах. // Известия АН СССР. 1981, т. 45, №9,
с.1691-1694.
7.
Камалова
Н.С., Евсикова Н.Ю., Лисицын В.И., Матвеев Н.Н.,
Постников В.В.,
Саврасова Н.А.,
Саушкин В.В. Модель
распределения
неоднородного электрического поля термического происхождения по
радиальной
составляющей в стволе дерева
// Материалы
международной НПК «Наука и образование на
службе лесного комплекса». Воронеж:
ВГЛТА, 2005,
т1,
с.294-297.