3. EMPIRIČNI DEL
3.3 Anizotropija v absorpciji
Pri razširjanju mikrovalov skozi les se amplituda električnega polja s prepotovano razdaljo v lesu zmanjšuje. To se zgodi zaradi absorpcije mikrovalov v lesu. V kolikor je absorpcija odvisna
42
od polarizacije valovanja, sta amplituda ter smer električnega polja prepuščenega valovanja odvisni od vstopne polarizacije valovanja. Absorpcijska koeficienta za valovanje s polarizacijo vzporedno oziroma pravokotno z optično osjo se razlikujeta. Pojav imenujemo anizotropija v absorpciji oziroma linearni dikroizem. V nadaljevanju naloge nas med drugim zanima, kako vlažnost vpliva na razliko absorpcijskih koeficientov. To odvisnost preverimo s poskusom, pri katerem merimo prepuščene mikrovalove skozi različno vlažne kose smrekovega lesa in na podlagi meritev določimo absorpcijska koeficienta za obe značilni polarizaciji mikrovalov [1].
Če želimo izmeriti absorpcijska koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno ter pravokotno na lesna vlakna, moramo zagotoviti, da sta prepustni smeri oddajnika in sprejemnika vzporedni (𝛼 = −𝛽) (Slika 29). Za merjenje absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno z vlakni, mora biti kot 𝛽 enak 0°, za polarizacijo mikrovalov pravokotno na vlakna pa 90°. Tedaj se skozi les v obeh primerih razširja linearno polarizirano elektromagnetno valovanje. Poglejmo si, kako se preoblikuje enačba (14) v primeru orientacije oddajnika in sprejemnika vzporedno z vlakni
𝐸𝐴𝑖 = 𝐸0𝑒−Λ𝑖𝑑, (17)
ter kako v primeru pravokotne orientacije obeh na vlakna
𝐸𝐴𝑟 = 𝐸0𝑒−Λ𝑟𝑑, (18)
pri čemer je Λ𝑖 absorpcijski koeficient za polarizacijo mikrovalov vzporedno z lesnimi vlakni, Λ𝑟 absorpcijski koeficient za polarizacijo mikrovalov pravokotno z lesnimi vlakni ter 𝑑 debelina vzorca lesa. Z logaritmiranjem enačb (17) in (18) dobimo
ln (𝐸𝐴𝑖
43 Merjenje absorpcijskih koeficientov lesa
Pri eksperimentu za določanje absorpcijskih koeficientov postavimo oddajnik in sprejemnik mikrovalov tako, da sta z rogoma obrnjena eden proti drugemu. Razdalja med njima je približno 10 cm in jo med eksperimentom ne spreminjamo. Med njiju namestimo vzorec lesa tako, da ga s pomočjo podstavka dvignemo na ustrezno višino (Slika 29). Pri nameščanju moramo biti pozorni, da je položaj in orientacija vzorca lesa vedno (pri vseh meritvah) enaka, ter da je pri tem vpad mikrovalov na les čim bolj pravokoten [1].
Slika 29: Postavitev oddajnika in sprejemnika mikrovalov, med katerima je na podstavku nameščen vzorec smrekovega lesa (levo) ter shema postavitve za merjenje absorpcijskih koeficientov (desno). Puščici na shemi označujeta prepustno
smer analizatorja (A) in polarizatorja (P) [1].
Slike 30, 31 in 32 prikazujejo odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno z lesnimi vlakni od mase posameznega kosa lesa.
Opomba: Ker ne poznamo natančnih mehanizmov, ki določajo velikost absorpcije ali dvolomnost v odvisnosti od vlažnosti, nimamo fizikalnih argumentov za tako ali drugačno modelsko funkcijo, ki bi opisovala te odvisnosti. Zato za modelsko funkcijo izbiramo čim bolj preproste oziroma čim bolj elementarne funkcije in se o tem, katera je najbolj ustrezna, odločamo na podlagi ujemanja modelske funkcije z meritvami. Kot merilo za prileganje uporabimo kar korelacijski koeficient 𝑅2, ki ga za vgrajene modelske funkcije avtomatsko izračuna program Excel, s katerim rišemo grafe in preizkušamo ustreznost različnih modelskih funkcij. Ob tem kot dodatni pogoj iščemo modelsko funkcijo s čim manj prostimi parametri, saj imamo relativno malo izmerkov za posamezen kos lesa in so tudi nedoločenosti posameznih izmerkov sorazmerno velike. Zato iščemo kot modelske funkcije le take z največ dvema ali
44
tremi prostimi parametri, torej polinom največ druge stopnje, pa potenčna in eksponentna funkcija, kaj drugega smiselnega pa nismo našli. Ob tem moramo biti pozorni tudi na to, da izberemo enako modelsko funkcijo za vse tri kose smrekovega lesa, saj ni smiselno pričakovati, da bi se absorpcija ter dvolomnost spreminjala na kvalitativno drugačen način za različne kose lesa iste vrste. Kvalitativno merilo za ujemanje je torej korelacijski koeficient 𝑅2, ki ima vrednosti med 0 in 1 (1 pomeni popolno ujemanje-modelska funkcija gre skozi vse izmerjene točke). Seveda je vrednost 𝑅2 za katerekoli resnične meritve vedno manjša od 1, a prav zato velja, da je modelska funkcija ustreznejša od druge, če je pripadajoči 𝑅2 večji, oziroma bližje vrednosti 1.
Slika 30: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo vzporedno z lesnimi vlakni od mase lesa za kos številka 1. Z rdečimi pikami so označene meritve za primer sušenja lesa, s črno pa za primer vlaženja.
45
Slika 31: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo vzporedno z lesnimi vlakni od mase lesa za kos številka 2. Z rdečimi pikami so označene meritve za primer sušenja lesa, s črnimi pa za primer vlaženja.
Slika 32: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo vzporedno z lesnimi vlakni od mase lesa za kos številka 3. Z rdečimi pikami so označene meritve za primer sušenja lesa, s črnimi pa za primer vlaženja.
V nadaljevanju so na slikah 33, 34 in 35 prikazane še odvisnosti absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase za posamezne kose lesa.
46
Slika 33: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase lesa za kos številka 1. Z modrimi pikami so označene meritve za primer sušenja lesa, s črnimi pa za primer vlaženja.
Slika 34: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase lesa za kos številka 2. Z modrimi pikami so označene meritve za primer sušenja lesa, s črnimi pa za primer vlaženja.
47
Slika 35: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase lesa za kos številka 3. Z modrimi pikami so označene meritve za primer sušenja lesa, s črnimi pa za primer vlaženja.
Meritve kažejo na povečevanje vrednosti obeh absorpcijskih koeficientov z naraščanjem vlažnosti. Izkaže se, da to spreminjanje najbolje opiše polinom 2. stopnje oziroma kvadratna funkcija. Predvidevamo, da je glavni vzrok za odstopanja ne povsem natančna postavitev sprejemnika in oddajnika. Iz že znanih lastnosti kvadratne funkcije sledi, da absorpcijska koeficienta pri manjših vlažnostih naraščata počasneje, pri večjih pa hitreje. Med drugim opazimo tudi vpliv, ki ga ima način spreminjanja vlažnosti lesa na absorpcijo. V primeru vlaženja lesa, izmerimo pri večjih vlažnostih nekoliko večje vrednosti absorpcijskega koeficienta, kot v primeru sušenja. Poleg tega lahko s primerjavo grafov 30, 31, 32 ter 33, 34, 35 razberemo večje vrednosti absorpcijskih koeficientov za polarizacijo mikrovalov vzporedno, v primerjavi s tistimi pravokotno na lesna vlakna.
Sedaj si poglejmo še vpliv vlažnosti na anizotropijo v absorpciji, oziroma na razliko med absorpcijskima koeficientoma za polarizacijo mikrovalov vzporedno in pravokotno na lesna vlakna za posamezne kose lesa.
48
Slika 36: Vpliv mase lesa na spreminjanje absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno (rdeča barva) ter pravokotno na lesna vlakna (modra barva). Predstavljene so meritve za kos lesa številka 1.
Slika 37: Vpliv mase lesa na spreminjanje absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno (rdeča barva) ter pravokotno na lesna vlakna (modra barva). Predstavljene so meritve za kos lesa številka 2.
49
Slika 38: Vpliv mase lesa na spreminjanje absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno (rdeča barva) ter pravokotno na vlakna (modra barva). Predstavljene so meritve za kos lesa številka 3.
Iz slik 36, 37 in 38 lahko razberemo nekaj pomembnih ugotovitev. Absorpcijski koeficient za polarizacijo mikrovalov pravokotno na lesna vlakna je manjši od absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno z lesnimi vlakni za vse vlažnosti. Iz tega sledi, da se mikrovalovi bolj absorbirajo, če so polarizirani vzporedno z lesnimi vlakni. Do podobne ugotovitve pridemo s poskusom, pri katerem mikrovalovi prehajajo skozi vzporedne kovinske žice. Mikrovalovi s polarizacijo vzporedno z žicami se povsem absorbirajo, medtem ko je absorpcija tistih s polarizacijo pravokotno na žice zanemarljiva [1]. Druga pomembna ugotovitev je ta, da se anizotropija v absorpciji z naraščanjem vlažnosti povečuje. Z drugimi besedami, razlika med absorpcijskima koeficientoma vzporedno in pravokotno na vlakna, se z naraščanjem vlažnosti lesa povečuje. Na grafih to opazimo kot oddaljevanje krivulj pri večjih vlažnostih in približevanje pri manjših.