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 dD_i которого можно представить в виде [6]:

 

.

 

Здесь γ_i  - пироэлектрический коэффициент целлюлозы, e_ij – тензор диэлектрической проницаемости, d_ijk – тензор пьезоэлектрических модулей, а ds_jk= – 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 d_kij,, компоненты тензора диэлектрической проницаемости (ε_k) и пироэлектрического коэффициента древесины (γ_ki) 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 U_max 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.