Безопасное электричество – это миф. Его просто не существует. Однако есть материалы, которые не проводят электроток. Их нередко используют для защиты от электричества. Большое количество людей к этой категории материалов относят древесину. Однако волокна и листья не срубленного дерева содержат воду. Кроме того, влага собирается на листве, ветках и стволе растения, а она способна хорошо проводить электричество. Тем более вода притягивает молнию. В результате получается, что человека может ударить электротоком, когда он идет по лесу и касается деревьев в сырую погоду. А если через их кроны протянуты провода воздушных электролиний, тогда, например, грибнику точно не повезет. Поэтому стоит уточнить, способно ли дерево проводит ток или оно не обладает такой возможностью. Чтобы разобраться в этом, расскажем о возможных его состояниях. Прочитав до конца, узнаете, что представляют собой проводники тока и диэлектрики, а также познакомитесь с электрическими свойствами древесины.
Содержание
Общие сведения
Перед тем как выяснить, дерево проводит ток или нет, стоит сказать, что почти все существующие материалы в разной степени способны пропускать электричество. Однако некоторые из них обладают очень большим сопротивлением. Из-за этого принято считать, что они не способны проводить электроток.
Если рассматривать дерево, то с ним гораздо сложнее обстоит ситуация. Этот материал обладает сопротивлением, зависящим как от уровня влажности, так и от компонентов, которые входят в состав впитанной воды. Для упрощения ситуации считают, что дерево не способно через свою структуру пропускать ток. Однако так рассуждать не совсем правильно.
Удачным примером является молния, которая может ударить в дерево. Однако считают, что это растение не проводит ток. На самом же деле молния проходит и через воздух, и через дерево. Хотя древесина и воздушная среда – это диэлектрики. Просто молния обладает очень большим электрозарядом. Его будет вполне достаточно для перемещения электронов практически в любой среде и материале.
Воздушная атмосфера и древесина гораздо хуже способны проводить ток, чем, например, металлические конструкции. Поэтому они в бытовых условиях применяются в качестве диэлектриков.
На заметку! Каждый человек уверен, что через воздух его не ударит током от розетки. Чтобы он был пораженный электричеством, ему нужно прикоснуться непосредственно к контактам электроисточника.
Что касается древесины, то этот материал немного лучше способен проводить ток по сравнению с воздухом. Из-за этого молнии, которая обладает мощным электрозарядом, легче преодолеть структуру дерева, чем воздушную атмосферу. Когда вблизи от ствола растения установлен громоотвод из металла, тогда электрический искровой атмосферный разряд ударит именно в эту конструкцию.
Что касается сдвигов электронов, то для лучшего понимания этого процесса можно привести другой пример. Если взять батарейку и выполнить ее подключение к электропроводнику из меди, тогда в таком проводе произойдет сдвиг десятков миллионов электронов. Когда же к этому источнику электропитания подсоединяется кабель из стали идентичного размера, то в этом проводе сместится всего лишь не более 10 млн элементарных отрицательно заряженных частиц. При этом в соленой воде, например, из моря произойдет сдвиг максимум 3 электронов. В то же время, чтобы сдвинулась только одна элементарная частица в стекле, необходимо выполнить подключение к нему квадриллиона батареек.
Итак, не срубленное дерево, то есть живое растение способно пропускать электричество, так как в его структуре имеется вода. Тем более в состав сока этой и любой другой растительности входят вещества минерального и органического происхождения, которые существенно повышают электрическую проводимость.
Что касается молнии и грозы, то при такой непогоде обычно идет дождь. Поэтому дерево намокает. Из-за этого его электрическая проводимость возрастает. По этой причине не рекомендуется прятаться от грозы под кронами деревьев. Иначе существует вероятность погибнуть или потерять навсегда слух из-за акустического удара.
Важно! С ростом влажности волокон дерева увеличивается вероятность, что человек будет поражен электротоком.
Диэлектрики и проводники тока
У разных материалов существует огромное количество физических веществ. Одни из них являются проводниками электротока, а другие – представляют собой диэлектрики.
Проводники тока
Проводником называют особый материал. К его отличительной черте относится присутствие во всем составе частиц, которые не только заряжены, но и способны свободно передвигаться.
Так, к проводникам относятся:
- металлы и их расплавы;
- соляные растворы;
- недистиллированная вода;
- тело человека;
- смоченная почва.
Самым лучшим электропроводником является металл. Углерод, который относится к неметаллам, тоже хорошо проводит электроток. Для характеристики существующих проводников используют показатели электрической проводимости, а также электросопротивления.
Возникновение сопротивления в проводнике происходит по причине сталкивания движущихся электронов с ионами и атомами. Последние препятствуют перемещению элементарных частиц, которые отрицательно заряжены. По этой причине одной из характеристик электропроводников является электросопротивление.
Электропроводность представляет собой параметр, который является обратной величиной сопротивлению. Благодаря электрической проводимости физическое вещество способно пропускать через себя электроток. Чтобы использовать надежный электропроводник, нужно выбирать материал с низкой сопротивляемостью движущимся элементарным отрицательно заряженным частицам, то есть электронам.
На заметку! У провода из меди электрическая проводимость лучше, чем у кабеля с жилами из алюминия.
Электропроводники так же, как и диэлектрические материалы широко применяются в электротехнической области. С их помощью решаются разные задачи. Так, кабели производятся при использовании металлов. Это обычно медные сплавы и алюминий. Для изоляции жил таких кабелей применяют полимеры, которые являются прекрасными диэлектрическими материалами, отлично задерживающие заряженные частицы.
Изделия из платины, золота и серебра представляют собой отличные проводники тока. Однако у них высокая цена. Поэтому они ограничены в применении. В основном их используют в космической и оборонной сфере, где не важна цена, так как главное – это качество.
Гораздо дешевле стоят электропроводники из алюминия и меди. Поэтому они повсеместно используются. Проводники же из молибдена и вольфрама имеют худшие свойства. По этой причине их применяют, например, при производстве ламп накаливания и нагревателей, которые работают при достижении высокой температуры. Из-за недостаточной электрической проводимости проводники из вольфрама и молибдена не применяются в электросхемах, потому что могут нарушить работу таких электроцепей.
Смотрите также:
Каталог компаний, что специализируются на электротехнических работах любой сложности
Диэлектрические материалы
Одну из групп физических природных веществ составляют диэлектрики. Эти материалы не обладают электрозарядами при сниженных температурах. Диэлектрики состоят только из атомов, которые нейтрально заряжены, а также молекул. При этом нейтрально заряженные атомы тесно связаны между собой. Из-за этого у них отсутствует возможность свободно двигаться по всей структуре вещества.
К группе материалов, которые не способны пропускать ток, также относится:
- резина;
- керамика;
- фарфор;
- стекло;
- разная смола;
- картон;
- все пластмассы;
- сухая древесина.
Диэлектрики представляют собой изоляционные материалы. На их свойства оказывает влияние окружающая атмосфера. Так, при большом уровне влажности часть таких изоляторов может частично утратить свои свойства, то есть будут пропускать электроток.
Диэлектрические материалы так же, как и проводники отличаются друг от друга свойствами и характеристиками. Стоит знать, что в некоторых таких веществах тоже имеются свободные электрозаряды. Однако их количество намного меньше, чем в электропроводниках.
Появляются свободные электрические заряды в диэлектрических материалах по причине тепловых колебаний элементарных частиц. Другими словами, из-за роста температуры иногда электроны отрываются от ядер. Это и становится причиной снижения изоляционных свойств диэлектриков.
На заметку! Лучшим диэлектриком является газ в разряженном состоянии, который представляет собой вакуум. Однако его затруднительно создать в земных условиях.
Прекрасными диэлектрическими свойствами теоретически еще должна обладать полностью очищенная вода. Однако ее еще не изобрели. Несмотря на это, необходимо не забывать, что наличие любых примесей в воде способствует прохождению электротока через данную жидкость.
Качество любого диэлектрика оценивается степенью соответствия функций, которые на него возложены в определенной электросхеме. Так, когда диэлектрический материал имеет свойства, позволяющие происходить незначительной утечке электротока, не приносящей никакого вреда электрической схеме, тогда он считается надежным изолятором.
Электрические свойства древесины
Если интересует, проходит ли электричество через древесную поверхность, то сразу стоит отметить, что она может иметь разные электрические свойства. К ним относится электропроводность и электрическая прочность. Еще древесина обладает диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами.
Электрическая проводимость
Электропроводность представляет собой способность деревянного материала пропускать электроток. Данная характеристика обратно зависима от электросопротивления древесины.
Если кусок древесины разместить между двумя электродами, тогда его полное сопротивление будет определяться как сумма объемного и поверхностного сопротивления. Максимальную величину для параметра электрической проводимости деревянного материала имеет первая разновидность электросопротивления. В качестве ее показателя выступает удельное объемное сопротивление. Измеряется эта характеристика в Ом×см. Данный параметр равен сопротивлению в тот момент, когда электроток проходит через две противоположно расположенных деревянных грани куба, у которого габариты составляют 1×1×1 см.
У древесного материала электрическая проводимость зависит от следующих моментов:
- влажности древесины;
- температуры материала;
- направленности волокон в структуре дерева;
- древесной породы.
В общем, древесина является диэлектриком. Ее удельное объемное сопротивление варьируется от 180 до 1017 Ом×см. Чтобы измерить эту характеристику данного материала, используют способы, которые применяют для определения такого же параметра у твердых диэлектриков при стабильных значениях напряжения. Такие методы были применены Центральным научно-исследовательским институтом механической обработки древесины, когда проводилась разработка ГОСТ 18408-73.
Когда уровень влажности в древесине повышается, тогда происходит уменьшение сопротивления этого материала. Особенно резко снижается данная характеристика во время роста количества связанной воды. Уменьшение этого параметра происходит в миллионы раз.
Связанной водой в древесине называют H2O из клеточных стенок. Ее прочному удержанию способствуют физико-химические связи. Если происходит ее удаление, тогда наблюдается заметное изменение свойств древесины.
Читайте также:
Механические и физические свойства древесины как строительного материала
Под увеличением количества связанной воды подразумевается, что абсолютно сухая древесина становится влажной. Ее клеточные стенки насыщаются водой до предела. Если уровень влажности продолжит и дальше увеличиваться, тогда произойдет уменьшение сопротивления только максимум в сотни раз. Из-за этого снижается точность измерения значения влажности при помощи электрического влагомера, когда величина этой характеристики превышает предел насыщения клеточных древесных стенок.
Если у древесины повышается температура, тогда происходит уменьшение объемного сопротивления. Обычно считают, что при росте температуры на 12 ℃ сопротивление этого материала снижается почти в два раза.
Важно! Электрическая проводимость зависит от породы древесины. При этом у всех деревьев, независимо от их вида, электропроводность вдоль волокон гораздо выше по сравнению с электрической проводимостью в поперечном направлении.
Свойства древесины, включая электропроводность Источник ppt-online.org
Обязательно учитывают, проводит ли дерево ток, то есть электропроводимость, если древесину используют для изготовления столбов связи, высоковольтных мачт, ручек инструмента, который работает только после подключения к линии электропитания, и так далее.
Электрическая прочность
Электропрочностью древесины называют свойство этого материала, которое позволяет ему сопротивляться резкому увеличению тока. Другими словами, это способность противодействовать уменьшению сопротивления при существенных значениях напряжения.
Чтобы определить электропрочность древесного материала при переменном электронапряжении, у которого частота составляет 50 Гц, используется ГОСТ 18407—73. Его разработкой занимался Центральный научный и исследовательский институт механической обработки древесины. Под электропрочностью, которая обозначается Епр, понимают отношение резко увеличившегося электронапряжения к толщине древесины. Измеряется такая характеристика в кВ/мм.
Определение электрической прочности древесины Источник ppt-online.org
Если древесина абсолютно сухая, тогда ее электропрочность вдоль волокон варьируется от 1,3 до 1,5 кВ/мм. Это от 4 до 7 раз меньше по сравнению с электрической прочностью данного материала поперек его волокон. Когда происходит увеличение уровня влажности, электропрочность существенно уменьшается. Так, если влажность возрастает до 14% с 10%, тогда электрическая прочностная характеристика древесины становится меньше в два раза.
Этот параметр деревянного материала на самом деле небольшой, если его сравнивать с аналогичной характеристикой других видов изоляции идентичного назначения. Например, у термопластичного полимера этилена электропрочность составляет 40 кВ/мм, а у стекла она равна 30 кВ/мм.
На заметку! Чтобы увеличить эту характеристику (Епр) у древесины, данный материал обрабатывают разными веществами, включая олифу, парафин и смолы искусственного происхождения.
Обработка древесины олифой Источник pokraskadoma.ru
Пьезоэлектрические свойства
Во время сжатия или растяжения анизотропных пластин, у которых поверхности состоят из кварцевых, турмалиновых или кристаллов сегнетовой соли, образуются положительные и отрицательные электрозаряды напротив друг друга. Другими словами, плюсовые заряды возникают с одной стороны, а с минусом – напротив их.
Электрозаряды появляются по причине воздействия механического характера, давления. Из-за этого такой эффект назвали пьезоэлектрическим, потому что «пьезо» – это давление.
Кристаллы сегнетовой соли, турмалина и кварца могут обладать также обратным пьезоэлектрическим эффектом, смысл которого заключается в изменении их размеров из-за воздействия электрополя. Пластины с поверхностями из турмалиновых, кварцевых или кристаллов сегнетовой соли широко используются как приемники и излучатели, когда производится ультразвуковая техника.
Натуральный кварц розового цвета Источник krasavica.info
Баженов в свое время проводил исследования. Научные эксперименты позволили ученому сделать вывод, что аналогичные свойства имеет также древесина, в которой содержится целлюлоза. В этом материале она представляет собой ориентированный компонент.
Если растягивающая или сжимающая нагрузка прикладывается под 45° к волокнистой структуре древесины, тогда возникает пьезоэлектрический эффект максимальной величины. При этом такое явление не наблюдается, когда нагрузка направлена в поперечном или продольном направлении относительно древесных волокон.
Пьезоэлектрический эффект максимально заметен в древесине, у которой абсолютно сухое состояние. Когда влажность этого материала повышается, происходит снижение такого эффекта. Он практически полностью пропадает, если значение влажности составляет от 6 % до 8 %. При этом, когда температура начинает расти максимум до +100 ℃, происходит усиление данного эффекта. В то же время он становится меньше при более высоком модуле упругости древесного материала.
Абсолютно сухая древесина Источник holz-wohnen-garten.de
Благодаря пьезоэлектрическому эффекту удается лучше познать структуру древесины, которая не отличается большой толщиной. За счет этого явления еще получается охарактеризовать уровень анизотропности древесного материала натурального происхождения, а также новых структур из древесины.
На заметку! Пьезоэлектрический эффект применяется, когда осуществляется разработка неразрушающих способов, чтобы контролировать качество древесного материала.
Читайте также:
Проводка в деревянном доме – особенности подключения и этапы работ
Диэлектрические свойства
Чтобы охарактеризовать диэлектрические свойства древесины, которая находится в переменном электрополе, используется два показателя. Одна такая характеристика представляет собой диэлектрическую проницаемость относительной величины. Такой показатель обозначается литерой ε. Данная характеристика – это отношение емкости конденсатора, который имеет древесную прокладку, к емкости другого конденсатора, отличающегося наличием зазора, заполненного воздухом. При этом такое пространство находится между электродами.
Диэлектрическая проницаемость веществ, включая сухое дерево Источник bigslide.ru
Вторая характеристика представляет собой диэлектрические потери, для измерения которых используется тангенс угла. Он обозначается с помощью литер tg δ. Для определения величины мощности, которая сначала подводится и потом поглощается древесным материалом, а затем преобразуется в тепловую энергию, используется именно tg δ диэлектрических потерь.
У древесины в полностью сухом состоянии растет диэлектрическая проницаемость, если у этого материала увеличивается плотность. Например, данная характеристика поперек волокон бальзы, у которой плотность 130 кг/м³, равна примерно 1,3. В то же время у граба с плотностью 800 кг/м³ этот параметр составляет 2,6. Диэлектрическая проницаемость в продольном направлении относительного волокон примерно больше где-то в 1,4 раза.
Видео описание
Видео позволит познакомиться, что такое проводники, диэлектрические материалы и полупроводники:
На заметку! Если повышается влажность древесного материала, тогда растет его относительная диэлектрическая проницаемость, потому что у воды эта характеристика, когда частоты варьируются от 10 до 1011 Гц, равна 81.
Так, Торговликовым была выявлена определенная зависимость. Если у древесины, у которой плотность 500 кг/м³, влажность составляет 10 %, а температура равна 20 ℃, тогда при частоте 104 Гц ее диэлектрическая проницаемость будет 4,2. Когда частота станет 1010 Гц – этот показатель уменьшится до 2,0. В то же время при повышении влажности до 60 % диэлектрическая проницаемость составит 6,6. Если у древесины в полностью сухом состоянии температура будет увеличиваться от -40 ℃ до +100 ℃, тогда данная характеристика несущественно возрастет. Она изменится всего лишь где-то в 1,3 раза. При увеличении температуры влажного древесного материала произойдет более значимый рост диэлектрической проницаемости.
Видео описание
В видеоролике показан эксперимент, в котором древесина из диэлектрика превращается в проводник тока:
Плотность (ρ) древесины еще влияет на tg δ диэлектрических потерь. Тангенс угла поперек волокон варьируется от 0,005 до 0,007, когда плотность при комнатной температуре составляет 500 кг/м³, а частота находится в пределах от 10 до 105 Гц. Если же у древесного материала ρ равна 800 кг/м³, тогда tg δ будет уметь значение от 0,007 до 0,025. Тангенс угла продольно волокнам больше по сравнению с поперечным направлением. Эти величины отличаются примерно в 1,7 раза.
Когда растет влажность, увеличивается тангенс угла. При этом tg δ имеет сложную зависимость от частотного показателя. Например, у древесного материала, у которого значение плотности составляет 500 кг/м³, когда влажность равна 80 %, а температура – +20 ℃, величина тангенса угла будет 74 при частоте 103 Гц. Если же частотный показатель достигнет 108 Гц, тогда tg δ уменьшится. Его значение будет составлять 0,2. В то же время при сверхвысокой частоте, которая равна 1010 Гц, тангенс угла диэлектрических потерь увеличится и достигнет 0,34.
Видео описание
В видео наглядно показано, как сырая древесина проводит электроток:
Увеличение температуры у полностью сухого древесного материала приводит к уменьшению тангенса угла. Однако при сверхвысокой частоте происходит рост данной характеристики. Если древесина изначально влажная с показателем 25 %, то после ее нагрева значительно увеличивается тангенс угла. При этом в области все той же сверхвысокой частоты tg δ несущественно изменяется.
Если осуществляется диэлектрический нагрев, тогда происходит увеличение температуры во всей древесной структуре. Этот вариант нагрева применяется на практике, когда проводится сушка, склейка и пропитка древесины. При сверхвысокой частоте нагрев используют, чтобы выполнить сушку древесного материала, обеспечить оттаивание бревен, которые потом будут очищены от коры и распилены.
Видео описание
В видеоматериале рассказывается, как молния выбирает место для своего удара:
Читайте также:
Заземление в частном доме – принцип действия, требования и рекомендуемые схемы
Коротко о главном
У дерева может быть разный уровень влажности. Один из вариантов – это абсолютно сухая древесина. В этом случае она не проводит электроток. Дело обстоит совсем наоборот, если дерево влажное. Ведь вода является хорошим проводником тока. Тем более, всегда во влажном состоянии находится живое дерево. Вода в нем присутствует в виде сока с разными примесями минерального и органического происхождения.
Проводниками тока являются материалы, в составе которых присутствуют заряженные частицы, способные свободно перемещаться. Кроме влажного дерева, к ним относятся, например, соляные растворы, металлы, любое живое тело, недистиллированная вода, увлажненная почва.
Диэлектриками являются материалы, в составе которых нет электрозарядов. В них присутствуют только атомы в нейтрально заряженном состоянии, а также молекулы. Кроме абсолютно сухой древесины, к диэлектрикам еще относится, например, резина, керамика, стекло, пластик, фарфор, смола.
У дерева могут быть различные электрические свойства. Одним из них является электропроводимость, которая представляет собой способность этого материала проводить электроток. На данный параметр влияет влажность, температура, порода и направленность волокон древесины. Еще этот материал характеризуется электрической прочностью. Благодаря данному свойству древесина может сопротивляться резкому увеличению электротока.
Древесина также обладает пьезоэлектрическими свойствами. Они подразумевают образование электрозарядов в этом материале под воздействием давления. Еще древесина обладает диэлектрическими свойствами. Они характеризуются одноименной проницаемостью относительной величины, а также потерями. Диэлектрические свойства зависят от плотности, влажности, температуры и частоты древесного материала.
Оценок
