木材的电学性质的分析介绍

木材的电学性质泛指木材在直流电场和交变电场作用下所呈现的材料特性。它主要包括：木材对直流电、交流电的导电性能和介质特性、电绝缘强度、介电弛豫特性以及压电效应等。木材电学性质的研究已有近百年的历史，从初期仅研究木材的直流电和交流电基本特性，发展到探讨木材解剖分子和化学结构等构造因子，以及含水率、温度、频率等因子对木材电学性质参数的影响机制。近年来已发展到从分子水平上研究木材的介电弛豫现象，开始走上了介电弛豫的分子论的轨道。研究木材的电学性质，不仅对于了解木材的性质、木材的分子运动特征、木材与水分子的吸附机理等问题具有重要的科学理论价值，而且还具有重要的实际意义，可为木材工业中的高频电加热技术、微波干燥、电学法含水率测定仪的开发，以及生产线的连续性无损检测，提供必要的工艺参数和理论依据。

1.木材的直流电性质

直流电源是电压方向和大小都不随时间变化的电源，其端电压为直流电压。木材的直流电性质，是指木材受直流电源作用时所呈现的一些特性，主要是体现各种因子对木材电阻率的影响，以及木材的电导性随时间的变化等。

通常，绝干状态下的木材电阻率极高，是优良的绝缘体。但在纤维饱和点以下，木材的电阻率随含水率的增加而急剧减小，纤维饱和点以上，电阻率仅随含水率的增加略有减小。当含水率从绝干增至纤维饱和点时，电阻率约减至原来的1%，而从纤维饱和点增至饱和水状态时，电阻率仅降至原来的1/50。

木材的直流电阻率随温度的增加而降低。木材的电阻率的对数随温度的下降或绝对温度倒数的增加几乎呈直线增大，温度只要下降30℃，则电阻约增大10倍。所以，温度对木材的直流电阻有显著的影响，这是在木材含水率测定仪的研制中必须考虑的因素。

木材电阻受纹理方向的影响。垂直于纤维方向（径向或弦向）的电阻率与顺纹方向的电阻率相比，针叶材要大2.3～4.5倍，阔叶材要大2.5～8.0倍。弦向的电阻率稍大于径向，中等密度的针叶树材弦向电阻率比径向电阻率大10%～12%，高密度的大得更多。木材顺纹方向与横纹方向电阻率的比值基本上与木材含水率无关，它主要是木材构造的各向异性在电学性质中的表现。

不同木材密度和树种对木材直流电阻率的影响与含水率的影响相比是很小的。树种间的电阻率差异有时不符合密度对电阻率影响的规律，甚至比密度的影响更明显一些，这是因为木材电阻率受水溶性电解质存在的影响，树种间某些水溶性微量成分的差异，导致电阻率产生差异。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，以减少测量误差。

木材中不同部位，主要是心材和边材之间电阻率存在差异。通常心材具有比边材更低的电阻率，这也是因为木材电阻率受水溶性电解质影响，而心材比边材含有更多的抽提物等内涵物质。当向木材组织中注入盐离子时，其电导率增大，除去盐离子时，电阻率就增大。

2.木材的交流电性质

方向和强度按照某一频率周期性变化的电流成为交流电。交流电按其频率的高低，大致可分为低频（含工频）、射频（又称高频）交流电，更高频率范围的微波，也是一种具有周期交变特性的电磁波现象。木材的交流电性质，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，主要包括木材在交流电场作用下介电性质参数（介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等）和交流电阻率（或电导率）的变化规律及影响因素。了解木材的这些性质，可为木材加工中的含水率无损检测设备，以及各种电加热技术提供工艺参数和理论依据。(www.xing528.com)

在交流电的低频区域，木材的电学性质在很多方面与直流电情况下有相同的表现。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。在低频交流电作用下，欧姆定律成立，焦耳热的发生和直流电作用下相同。然而，交流电情况下电压的大小是用有效值（最大电压的0.707倍）来表示的。

干燥木材的电阻非常高，导致电流显著减小，要提高发热量，只有提高电压，但是电压过高时有放电的危险。因此，提高干燥木材的发热量是很困难的。为了能够使用一定限度内的电压进行加热，木材应具有纤维饱和点以上的含水率。

利用直流电和交流电的焦耳热进行木材干燥时，容易出现加热不均匀、电流停止后含水率梯度大等缺点，并且效率低，所以它作为木材的干燥方法是不适宜的。但是，低频电加热的设备简单，无高频辐射的危害，在某些特殊的场合，人们还是利用这种方法加热木材。

木材在高频交流电下的介电性质，又称高频，其频率范围大约从0.2MHz直到几百甚至几千兆赫。在木材工业中，用于高频加热的频率通常在1～10MHz的范围；用于微波干燥的频率为915MHz或2.45GHz。木材在高频交流电下的介电性质，除了受木材密度、含水率、纹理方向等的影响之外，还受交流电频率的影响，其分析和研究较为复杂，这里就不赘述了。

3.木材电学性质在木材工业中的应用

木材的电学性质在木材工业中的应用主要有木材含水率的测定和高频电加热干燥技术，其中，木材含水率的测定属于无损检测的范畴。

采用电测法测量木材的含水率，其优点在于无需破坏被测木材，并且测量简便、快捷。因此，电测木材含水率的方法，在木材工业生产中得到了广泛应用。其中用得最多的是含水率测定仪，大体上可分为两种基本类型：一种是基于木材直流电性质的电阻式含水率测定仪；一种是基于木材交流电性质的介电式（又称高频式）含水率测定仪。电阻式含水率测定仪的基本原理为：木材的直流电阻率随含水率的增加而减小。它实际上是一个高灵敏的直流阻抗仪，测量得到的是木材直流电阻。设计者根据含水率与木材直流电阻的关系标定电表的刻度盘，使用时能够直接从表针指示的刻度上读出木材对应的含水率。

介电式含水率测定仪的基本原理是：在一定的频率的交变电场作用下，木材的介电系数和介质损耗因数随含水率的增加而增大。利用介电系数随含水率的变化规律而设计的水分计，称为电容式含水率测定仪，利用介质损耗因数随含水率的变化规律而设计的水分计，称为功耗式（损耗式）含水率测定仪。介电式含水率测定仪的频率范围通常设计在射频范围，而微波式含水率测定仪，是射频功耗式含水率测定仪的发展，它使用的频率很高（通常为22.235GHz），利用含水率所引起的木材对微波吸收能力的变化规律进行测量。