Fafizika 5. elıadás Elektromos tulajdonságok Prof. Dr. Molnár Sándor NYME, FMK, Faanyagtudományi Intézet
Gyakorlati szerepe
A faipari gyakorlatban a legáltalánosabb felhasználást a fanedvesség mérése jelenti. Faszerkezetek, táblás parketták gazdaságos gyártását teszi lehetıvé a nagyfrekvenciás erıtérben való ragasztás. Elektromos főtıkészülékeket használnak az egyes préslapokban, csigapréseknél, élfurnérozó készülékekben. A piezoelektromos jelenséget pedig a mikroszerkezeti kutatás hasznosítja. Környezetbarát, takarékos lakkfelviteli mód az elektrosztatikus térben való lakkszórás.
Fajlagos ellenállás és vezetıképesség
A faanyag egyenárammal szembeni viselkedését a fajlagos ellenállás (ρ) és a fajlagos vezetıképesség (c) jellemzik. A fajlagos vezetıképesség két típusa:
a) egyenáramú fajlagos vezetıképesség és b) eltolódási fajlagos vezetıképesség.
A fajlagos vezetıképesség az anyagban jelentkezı áramsőrőséggel jól definiálható, a gyakorlat mégis inkább ennek reciprokát, a fajlagos ellenállóképességet használja. A fontosabb összefüggések a következık: R ⋅A ρ= l
1 1 l I l X= = ⋅ = ⋅ ρ R A U A
Fajlagos ellenállás és vezetıképesség
A felületi fajlagos ellenállás (ρs) kifejezi, hogy a fatest felszínén 1 cm2 felület két szemközti oldala között milyen az ellenállás:
R ⋅π⋅D ρs = b
A sajátos felület fizikai hatások eredményeként a rostokkal párhuzamosan ρs/ρ =10 ÷ 60; a rostokra merılegesen ρs/ρ = 3 ÷ 7.
A fajlagos ellenállást befolyásoló tényezık
A fajlagos ellenállás függ:
a fafaj, nedvességtartalom, anizotrópia, hımérséklet, frekvencia, szöveti és kémiai szerkezet, faanyag sőrősége, védıkezelése, a mérı elektródákra gyakorolt nyomás értékeitıl, változásaitól.
Az abszolút száraz faanyagnak fafajtól függıen 1015-1017 ohm cm a fajlagos ellenállása. A nedvességtartalom befolyásolja a fajlagos ellenállást.
Néhány fafaj fajlagos elektromos ellenállása (ρ) és felszíni ellenállása (ρs) a rostirány (||, ⊥) függvényében Fafaj
ρ (ohm cm)
u, %
ρs (ohm)
||
⊥
||
⊥
0,0 8,0 8,2 20,0
5,1 . 1016
8,6 1011 -
4,0 . 1011 -
2,8 1012 -
8,3 9,2
1,7 . 109
1,4 . 1010 -
9,4 . 1010
7,9 . 1010 -
Tölgy
7,9
-
1,3 . 1010
2,0 . 1010
5,5 . 1010
Juhar
0
3,3 . 1017
6,6 . 1017
-
-
Erdeifenyı
7,5
-
1,3 . 1011
2,1 . 1011
7,9 . 1011
Lucfenyı
0 7,8 16,0
3,8 . 1016 1,0 . 107
7,6 . 1016 6,4 . 1010 2,1 . 107
1,0 . 1011 -
4,0 . 1011 -
Duglász fenyı
15,3
1,1 . 107
2,1 . 107
-
-
Nyír
Bükk
.
.
-
4,2 1010 10 . 108
.
A faanyag dielektromos tulajdonságai A faanyag dielektromos állandója
a dielektromos jellemzıknek elsısorban a váltóáram esetén van gyakorlati jelentısége a fontosabb dielektromos jellemzık a dielektromos állandó (ε) és a dielektromos veszteségi tényezı (tg δ) a faanyag dielektromos állandója megmutatja, hogy hányszorosára nı a kondenzátor kapacitása, ha a lemezei között nem vákuum, hanem faanyag van
c ε= cv
A faanyag dielektromos tulajdonságai A faanyag dielektromos állandója
a faanyag relatív dielektromos állandója (εr) kifejezi, hogy hányszor nagyobb a fa dielektromos állandója, mint a vákuumé (εv) a dielektromos állandó a fa atomjainak és molekuláinak külsı elektromos mezı U feszültségének - vagy „E” térerısségnek hatására fellépı polarizáció mértéke
ε εr = εv
Dielektromos veszteségi tényezı
A fa polarizációjakor a külsı elektromos mezı hatására belsı átrendezıdés következik be anélkül, hogy a testre többlet töltés került volna. A kialakult dipólusos molekulák a feszültség frekvenciájának megfelelıen váltogatják a polaritásukat, forognak. E mozgás pedig hıfejlıdést eredményez. Ez a hı a külsı elektromos erıtér energiájának terhére fejlıdik. A kondenzátor lemezei közé helyezett fa egy veszteséges kondenzátorként modellezhetı.
IR tg δ = Ic
Rc tg δ = R
A faanyag felmelegítéséhez szükséges hımennyiséget és elektromos teljesítmény Az elektromos teljesítmény oldaláról meghatározható a hıvé alakuló elektromos teljesítmény: Pr = U ·Ir nagyfrekvenciás válltóáramot kell felhasználni, ezért fejezzük ki az ellenállást a frekvencia segítségével 1 Rc = 2⋅π⋅f ⋅c
Ic = U · 2π · f · c
IR = Ic · tg δ = 2 · π · U · f ·. c ·. tg δ PR = U · IR = 2 · π · U2 · f · c · tg δ
A dielektromos jellemzıket befolyásoló tényezık
A faanyag dielektromos tulajdonságai kapcsolatban állnak: a fafajjal, a nedvességtartalommal, a sőrőséggel, A hımérséklettel és A frekvenciaszámmal.
Néhány fafaj dielektromos jellemzıi a rostokra merılegesen különbözı nedvességi értékeknél (f = 5 MHz, t = 20°C)
Fafaj
Dielektromos állandó
Veszteségi tényezı (tg δ)
Nedvességtartalom, %
Nedvességtartalom, %
0
30
80
0
30
80
Vörösfenyı
1,9
7,5
20,0
0,06
0,25
0,23
Lucfenyı
1,7
3,5
7,0
0,04
0,22
0,18
Nyár
1,9
4,1
9,0
0,04
0,22
0,21
Rezgınyár
1,7
4,1
10,2
0,05
0,22
0,15
levegı
1,0
víz
80,6
üveg
3,5-9,0
A sőrőség és a dielektromos állandó kapcsolata különbözı nedvességtartalomú lucfenyık esetén
A frekvencia és a dielektromos állandó kapcsolata különbözı nedvességtartalmú lucfenyık esetén (t=20°C)
A dielektromos jellemzık hımérséklet és a frekvencia függése lucfenyınél (u=6,5%)
Elektromos (átütési) szilárdság
értéke egyenlı az átütési feszültség (Uk) és a faanyag vastagság (h) hányadosával
Uk E= h Fafaj
Elektromos szilárdság, kV/mm sugár
húr
rost
Lucfenyı:
u=0 u = 33
6,0 1,4
7,2 1,3
1,4 0,9
Erdeifeny ı:
u=0 u = 33
5,9 1,4
7,2 1,5
1,45 0,76
Nyír
u=0 u = 33
9,1 1,4
7,6 1,2
1,3 0,5
Bükk
u=9
4,2
5,2
1,4
Tölgy
u=9
3,9
4,7
1,3
Egyéb anyagok: transzformátor olaj: üveg: bakelit: porcelán:
100 30-40 20 10
Piezoelektromos hatás
Jellemzésére a dielektromos moduluszt (d) használják.
dQ d= dF
A piezoelektromos modulusz néhány értéke a lucfenyınél és a bükknél Fafaj
Nedvesség, %
Piezo modulusz C/N
Lucfenyı
16,3 39,7
0,026-0,057 0,8-1,35
Bükk
14,2 30,6
0,037-0,058 1,1-2,3
A faanyag mágnesezhetısége
A faanyag diamágneses, a csekélyebb mágneses térerıkkel rendelkezı pólus irányába mozdul el. A mágneses szuszceptibilitása (Sm) negatív elıjelő. Sm = A mágnesezés erıssége/mágnes erıtér erıssége A fa mágnesezhetısége csekély: Sm = -0,2...-0,5 . 106. A faanyagnál a diamágnesesség a rostokkal párhuzamosan mutatja a legnagyobb értéket.
Köszönöm a figyelmet!
