2. TEORETIČNI DEL

(1)

PEDAGOŠKA FAKULTETA Poučevanje, predmetno poučevanje

Urban Šček

VLAŽEN LES IN MIKROVALOVI Magistrsko delo

Ljubljana, 2021

(2)

PEDAGOŠKA FAKULTETA Poučevanje, predmetno poučevanje

Urban Šček

VLAŽEN LES IN MIKROVALOVI Magistrsko delo

Mentor: dr. Jurij Bajc Somentorica: dr. Saša Ziherl

Ljubljana, 2021

(3)

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju dr. Juriju Bajcu ter somentorici dr. Saši Ziherl za strokovno pomoč, usmeritve, trud in čas, ki sta ga namenila moji magistrski nalogi. Potrebne pripomočke za izvajanje meritev na Pedagoški fakulteti mi je priskrbel tamkajšnji laborant Gregor Tarman, ki mi je tekom merjenja čas krajšal s številnimi koristnimi nasveti in zanimivimi idejami s področja, ki sem ga sam raziskoval. Zahvaljujem se tudi mojemu stricu, mizarju Ivanu Krašna, ki mi je z veseljem priskočil na pomoč, ko sem za izvedbo meritev potreboval tri kose smrekovega lesa. Nenazadnje gre zahvala še mojim staršem, ki so mi tekom pisanja magistrske naloge stali ob strani, me spodbujali ter omogočali ustrezne pogoje, v katerih sem lahko ustvarjal.

Hvala Vam!

(4)

V magistrski nalogi raziskujemo vpliv vlažnosti na optične lastnosti lesa v mikrovalovnem področju. V uvodu opišemo strukturo in lastnosti lesa s poudarkom na anizotropnih optičnih lastnostih. V nadaljevanju opišemo tako metode spreminjanja vlažnosti kot metode merjenja vlažnosti lesa. Izkaže se, da je za merjenje spreminjanja vlažnosti najbolj natančna gravimetrična metoda, ki je poleg tega tudi zelo preprosta in enostavno izvedljiva, ne omogoča pa natančnega določanja ničelne vrednosti vlažnosti. V osrednjem delu naloge podrobno opišemo tako postopke spreminjanja vlažnosti lesa kot tudi postopke merjenja dvolomnosti lesa in merjenja absorpcijskih koeficientov lesa oziroma linearnega dikroizma lesa. V nalogi se dokopljemo do dveh pomembnih rezultatov. Pokažemo, da s šolskim kompletom mikrovalovnega oddajnika in sprejemnika lahko izmerimo tako dvolomnost kot linearni dikroizem lesa neodvisno od vlažnosti lesa, kar je pomemben rezultat za učitelje fizike s stališča uporabnosti lesa in mikrovalov za demonstracijo anizotropnih lastnosti snovi. Poleg tega naše meritve potrjujejo, da se tako dvolomnost kot absorpcija mikrovalov v lesu povečujeta z vlažnostjo. Za dvolomnost ugotovimo linearno povečevanje z vlažnostjo, medtem ko naraščanje absorpcije z vlažnostjo bolje opiše parabolična funkcija. V nalogi med drugim ugotavljamo tudi, da je vlažnost lesa težko natančno izmeriti in da je kontrolirano spreminjanje vlažnosti lesa vse prej kot enostavna in časovno precej zahtevna naloga.

Ključne besede: Les, anizotropija, mikrovalovi, vlažnost, sušenje lesa, absorpcija, dvolomnost.

(5)

in the microwave region. Structure and properties of wood with the emphasis on anisotropic optical properties are summarised in the first chapter. Next the methods for changing and measuring wood moisture are described. It turns out that the most accurate measurements of the changes of wood moisture are obtained by the so called gravimetric method. Furthermore, this method is simple and easy to perform, its only drawback is the lack of precisely determining the zero moisture state of wood. Detailed description of the procedures for changing wood moisture as well as for determining birefringence and both absorption coefficients of wood are the core content of the thesis. Finally, two important findings result from the study. Firstly, we show that standard school microwave set, including a transmitter and a receiver, enables one to measure birefringence as well as both absorption coefficients to a reasonable accuracy at all observable wood moistures. This result is particularly important for all physics teachers from the point of view of using wood and microwaves as means to show anisotropic properties of matter. In addition, our measurements confirm that both, birefringence and absorption of microwaves in wood increase with increasing wood moisture. We show that birefringence can be modelled as a linear function of wood moisture whereas the increase of absorption of microwaves with wood moisture is modelled significantly better with a parabolic function.

Collaterally we noticed that wood moisture is difficult to measure accurately and that it is quite a complex and time consuming task to change wood moisture in a controlled way.

Keywords: Wood, anisotropy, microwaves, moisture, drying of wood, absorption, birefringence.

(6)

1. UVOD ... 1

2. TEORETIČNI DEL ... 3

2.1 Anizotropija ... 3

2.2 Les ... 4

2.2.1 Fizikalne lastnosti lesa ... 5

2.3 Mikrovalovi in les ... 8

2.3.1 Mikrovalovi ... 8

2.3.2 Elektromagnetna teorija ... 11

2.4 Vlažnost lesa ... 18

2.4.1 Metode merjenja vlažnosti ... 19

2.5 Sušenje lesa ... 28

2.5.1 Mehanizem sušenja lesa ... 28

2.5.2 Metode sušenja ... 31

3. EMPIRIČNI DEL ... 37

3.1 Potek merjenja ... 37

3.2 Določanje 𝑚₀ ... 39

3.3 Anizotropija v absorpciji ... 41

3.4 Dvolomnost lesa ... 49

4. ZAKLJUČEK ... 55

5. VIRI ... 57

(7)

Slika 2: Razpoke na zunanji strani lesa, ki so nastale pri sušenju pod TNCS ... 7

Slika 3: Zaradi drugačnega krčenja in nabrekanja v različnih smereh, se spreminja tudi oblika lesenih teles ... 7

Slika 4: Oddajnik mikrovalov na Gunn diodo ter tokovno napetostna karakteristika. ... 10

Slika 5: Orientacijska polarizabilnost; urejenost in neurejenost dipolnih momentov glede na delovanje električnega polja. ... 11

Slika 6: Makromolekula celuloze v primeru suhega in vlažnega lesa. ... 12

Slika 7: Mehanski model anizotropno vezanega elektrona. ... 13

Slika 8: Lastni koordinatni sistem kosa lesa………...………...………...…………...14

Slika 9: Postavitev lesa, polarizatorja in analizatorja………….……….………..….17

Slika 10: Linearno polarizirano valovanje pred vstopom v snov. ... 17

Slika 11: Grafični prikaz razširjanja valovanja skozi anizotropno snov. ... 18

Slika 12: Odvzem vzorca pri gravimetrični metodi. ... 21

Slika 13: Uporovna merilnika z dvema in štirimi igelnimi elektrodami... 22

Slika 14: Pojav polarizacije molekul vode v električnem polju. ... 23

Slika 15: Odvisnost električnega upora od vlažnosti. ... 24

Slika 16: Vpliv temperature in lesne vlažnosti na električni upor lesa (manjši razpon vlažnosti). ... 26

Slika 17: Vpliv temperature in lesne vlažnosti na električni upor lesa (večji razpon vlažnosti). ... 27

Slika 18: Pretok vode v lesu med sušenjem. ... 29

Slika 19: Tangencialna, radialna in vzdolžna smer……..………..………….………...31

Slika 20: Shema in fotografija mikrovalovne pečice... 34

Slika 21: Shematični prikaz magnetrona. ... 35

Slika 22: Delovanje magnetrona. ... 35

Slika 23: Kolaps in površinske razpoke. ... 36

Slika 24: Namakanje kosov lesa v vodi ob ustreznem razmaku. ... 38

Slika 25: Hlajenje lesa ter sušenje v mikrovalovni pečici. ... 39

Slika 26: Graf odvisnosti mase kosa lesa št.1 od povprečne vrednosti izmerjenih vlažnosti za posamezne meritve. ... 40

Slika 29: Postavitev oddajnika in sprejemnika mikrovalov za merjenje absorpcijskih koeficientov. ... 43

Slika 30: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo vzporedno z lesnimi vlakni od mase lesa za kos 1. ... 44

Slika 31: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo vzporedno z lesnimi vlakni od mase lesa za kos 2 . ... 45

(8)

mase lesa za kos 3. ... 45

Slika 33: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase lesa za kos 1. ... 46

Slika 34: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase lesa za kos 2 ... 46

Slika 35: Odvisnost absorpcijskega koeficienta za polarizacijo pravokotno na lesna vlakna od mase lesa za kos 3. ... 47

Slika 36: Vpliv mase lesa na spreminjanje absorpcijskega koeficienta za polarizacijo mikrovalov vzporedno ter pravokotno na lesna vlakna za kos 1 ... 48

Slika 39: Postavitev oddajnika in sprejemnika mikrovalov za merjenje dvolomnosti. ... 50

Slika 40: Graf odvisnosti amplitude električnega polja prepuščenih mikrovalov od kota med prepustno smerjo sprejemnika in lesnimi vlakni za kos 1. ... 51

Slika 43: Graf odvisnosti dvolomnosti od mase lesa za kos 1. ... 53

(9)

1

1. UVOD

Dandanes je pomanjkanje motivacije pri učenju ena glavnih težav, s katero se soočajo učenci, dijaki in študentje, učiteljem pa predstavlja izziv, kako jih še dodatno motivirati. Ena izmed rešitev, kako jih pritegniti pri naravoslovnih predmetih, je nedvomno uvajanje novosti v pouk in več izvajanja poskusov oziroma eksperimentalnega dela. Primer takšne novosti, ki bi jo lahko kot učitelji vključili v pouk fizike, so anizotropni materiali. Eden najbolj znanih primerov anizotropnega materiala so tekoči kristali, ki se jih veliko uporablja v sodobni tehnologiji (npr.

LCD zasloni). Žal je razumevanje optičnih pojavov pri tekočih kristalih zahtevno. V takšnem primeru se učitelji velikokrat poslužujemo analogij [1]. V doktorski disertaciji z naslovom 'Anizotropne lastnosti lesa v mikrovalovnem območju', Ziherlova s poskusi pokaže, da les in mikrovalovi predstavljajo dobro analogijo tekočim kristalom in vidni svetlobi [1]. Les je vsekakor ustrezna analogija, saj je material, ki ga poznamo vsi in pri katerem so že na zunaj vidne smeri, v katerih se razlikujejo fizikalne lastnosti (vzporedno in pravokotno na lesna vlakna), kar je značilnost anizotropnih materialov. Zaradi tega lahko pri prehodu mikrovalov skozenj opazujemo zanimive optične pojave, kot sta anizotropija v absorpciji in dvolomnost. S tovrstnimi poskusi je Ziherlova že pokazala, da na anizotropne lastnosti vpliva vrsta lesa in usmerjenost lesnih vlaken, vpliv vlažnosti pa je manj raziskan. Predvidevamo, da vlažnost vpliva na anizotropne lastnosti, saj voda znatno spremeni dielektričnost celulozne osnove. Da bodo učitelji lahko brez težav izvajali tovrstne poskuse z lesom, podrobneje raziščemo vpliv vlažnosti na anizotropne lastnosti lesa. Pomembno je, da učitelj zna pravilno analizirati meritve, to pa lahko naredi le, v kolikor pozna vse dejavnike in njihov vpliv na meritve. Potrebno je ugotoviti, kako različna vlažnost vpliva na poskuse, ali poskuse lahko izvajajo tako s suhim, kot tudi z vlažnim lesom, ter kakšna je pri tem razlika. Pričakujemo, da bodo učitelji na podlagi naših ugotovitev pri analizi znali upoštevati in pojasniti tudi vpliv vlažnosti lesa. Naš cilj je torej raziskati vpliv vlažnosti na anizotropne lastnosti lesa v mikrovalovnem področju. Naloge se lotimo s prilagoditvijo eksperimentalne metode, ki jo je Ziherlova razvila v svoji disertaciji.

Metodo dopolnimo v delu, ki se nanaša na kontrolirano spreminjanje vlažnosti in na merjenje vlažnosti lesa. Vlažnost lesa spreminjamo s sušenjem v mikrovalovni pečici in namakanjem v vodi, merimo pa jo z dvema električnima uporovnima merilnikoma ter z gravimetrično metodo.

Kose lesa različnih vlažnosti posamezno vstavljamo med oddajnik in sprejemnik mikrovalov ter ob ustrezni postavitvi le-teh izvedemo meritve. Pričakujemo, da se bo tako dvolomnost kot

(10)

2

tudi absorpcija z vlažnostjo spreminjala. Cilj je, da v nalogi te odvisnosti izmerimo s preprostim šolskim mikrovalovnim kompletom in tako spodbudimo učitelje, da bodo poskuse izvajali ali jih vsaj kazali svojim učencem. Naše ugotovitve in rezultati bodo pripomogli k izboljšanju poznavanja vpliva vlažnosti na optične lastnosti lesa. To znanje ni pomembno zgolj v primeru, ko raziskujemo neposredno te odvisnosti, ampak tudi takrat, ko opazujemo dvolomnost in absorpcijo pri določeni vlažnosti. Pokazati želimo, da anizotropne značilnosti lesa ostajajo kvalitativno enake neodvisno od vlažnosti lesa. Spreminjajo se zgolj v kvantitativnem smislu.

Naloga je sestavljena iz teoretičnega in empiričnega dela. V teoretičnem delu najprej definiramo pojem anizotropija. Sledi opis fizikalnih lastnosti lesa, ki se tekom izvajanja meritev v največji meri spreminjajo (poroznost, voda v lesu, krčenje in nabrekanje, gostota in prevodnost). V nadaljevanju predstavimo še mikrovalove, oddajnik in sprejemnik mikrovalov, ki ju uporabimo v empiričnem delu, ter s pomočjo elektromagnetne teorije razložimo dogajanje pri razširjanju mikrovalov skozi les. V povezavi s tem iz Maxwellovih enačb izpeljemo, da se skozi les razširjata redno in izredno valovanje. Razliko med lomnima količnikoma za ti dve valovanji imenujemo dvolomnost. Poleg tega zapišemo še izraz za amplitudo električnega polja mikrovalov po prehodu skozi les za splošno postavitev oddajnika in sprejemnika. Drugo poglavje zaključimo z opisom metod merjenja vlažnosti ter sušenja. Sledi empirični del, v okviru katerega opišemo potek izvajanja meritev, naštejemo uporabljene pripomočke ter predstavimo eksperimenta za merjenje anizotropije v absorpciji ter dvolomnosti. Z grafi prikažemo rezultate meritev in jih analiziramo. V zaključku predstavimo ugotovitve, do katerih smo prišli, in s tem sklenemo nalogo.

(11)

3

2. TEORETIČNI DEL

2.1 Anizotropija

Splošno o anizotropiji

Izraz anizotropija izhaja iz grških besed isos in tropos. Prevod prve besede v slovenščino je enakomerno, druge pa smer. Za natančen prevod je potrebno upoštevati še predpono an, ki pomeni negacijo [1]. Zgolj s prevodom besed iz katerih izraz izhaja, si zelo težko predstavljamo, kaj je pravzaprav pomen omenjenega izraza. V ta namen nam je v pomoč slovar slovenskega knjižnega jezika, kjer lahko najdemo zapis definicije anizotropije [1]. Zapisano je:

»Anizotropija- pojav, da ima snov v različnih smereh različne fizikalne lastnosti: optična anizotropija kristala.« (SSKJ, 1994, 16) [2].

Ta definicija je nekoliko nerodno zapisana. Bolje bi bilo zapisati na naslednji način: »Termin anizotropnost označuje, da ima tisto, na kar se nanaša, lastnosti različne v različnih smereh«

[1]. Primeri anizotropnih materialov so: les, tekoči kristali, pletenine, vzmetnice, različni plastični materiali, kristali,…[3].

Optične lastnosti anizotropnih materialov izkoriščajo v novih tehnologijah, kot so razni prikazovalniki, zasloni itd. Te tehnologije vsebujejo tekoče kristale, ki so med najbolj poznanimi anizotropnimi materiali [1,2]. Poleg tega pa je anizotropija pomembna lastnost tudi večine bioloških materialov, kot so zobno tkivo, kosti in podobno [1].

Kljub temu, da se z anizotropijo srečujemo v vsakdanjem življenju, veliko ljudi ne razume tega pojma [1]. Anizotropnost kot lastnost materiala lahko pojasnimo s preprostim modelom [2].

Predstavljamo si, da hodimo v množici, kjer se večina ljudi giblje s podobno hitrostjo in v isto smer (Slika 1). Hitrost gibanja bo očitno odvisna od smeri, v kateri hodimo: hoja v smeri množice bo hitrejša od hoje pravokotno na to smer, saj nas pri hoji v smeri množice ostali ljudje manj ovirajo. Ker je hitrost naše hoje odvisna od smeri, v kateri se podajamo na pot, lahko ta primer predstavimo kot preprosto ilustracijo pojma anizotropija.

(12)

4

Slika 1: Množica ljudi v paradi lahko služi kot primer anizotropije. Hitrost gibanja skozi gibajočo se množico je namreč odvisna od smeri [4].

To je zgolj eden od mnogih nazornih modelov, s katerimi lahko na preprost način razložimo pojem anizotropija. Nazoren primer, na katerem lahko opazujemo anizotropijo, je tudi raztezanje pletenine. Tu je dolžina raztezka odvisna od smeri in vrste pletenja. Ker vsaj ena izmed njenih lastnosti ni enaka v vseh smereh pravimo, da je pletenina anizotropen material.

Vidno strukturo, ki nakazuje na anizotropnost, ima les. Za les je znano, da ima različne lastnosti pravokotno in vzporedno z lesnimi vlakni. Zaradi svoje vidne strukture je les idealen za razlago anizotropije in prikaz posledic le-te pri pouku [1].

2.2 Les

Les je kompleksna biološka struktura, sestav celic različnih vrst in kemijskih lastnosti, ki delujejo skupaj z namenom zadoščati potrebam žive rastline. Ko poizkušamo razumeti les z vidika tehnologije, pogosto spregledamo osnovno dejstvo, da se je les razvil tekom milijonov let, da bi služil trem glavnim funkcijam v rastlinah - prevajanje vode od korenin do listov, mehanska opora rastlinskega telesa ter shranjevanje in sinteza biokemikalij. Vse lastnosti lesa izhajajo iz dejstva, da je les oblikovan za zadostitev potreb živega drevesa [5]. Ločimo več vrst lastnosti lesa, kot so lepotne ali estetske, mehanske, fizikalne ter fizikalno-kemijske lastnosti [6]. V nadaljevanju podrobneje obravnavamo zgolj fizikalne lastnosti lesa, ker so te za nas najpomembnejše in se v veliki meri spreminjajo pri izvajanju meritev v empiričnem delu naloge.

(13)

5 2.2.1 Fizikalne lastnosti lesa

So najpomembnejše lastnosti, ki opisujejo kvantitativne značilnosti lesa in njegovo reagiranje na zunanje vplive [6,7,8]. Sem uvrščamo poroznost, gostoto, vlažnost, krčenje in nabrekanje ter prevodnostne lastnosti lesa [1,8].

Poroznost je merilo za količino oziroma velikost praznih prostorčkov oziroma por v lesu.

Prostorčki so lahko zaprti in nedostopni, ali pa odprti in povezani z drugimi vse do zunanjosti lesa. Skupna poroznost je definirana kot razmerje med prostornino praznega prostora (𝑉_𝑉) in skupno prostornino lesa (𝑉_𝑇), ki vključuje prostornino por oziroma praznega prostora ter prostornino trdne substance [9]:

𝜑 =^𝑉^𝑉

𝑉𝑇. (1)

Poroznost običajno izražamo kot odstotek celotne prostornine materiala. V bioloških sestavih se pore oblikujejo med fazo rasti rastline. Njihova naloga je shranjevanje hranilnih snovi ter prenos le-teh skupaj z vodo iz korenin do preostalega dela rastline [9]. Zaradi tega so pore pomemben element živega drevesa, ki vpliva tudi na številne druge tehnološke lastnosti lesa [1]. Odstotek poroznosti pri slovenskih mehkih listavcih in iglavcih znaša okrog 75 %, pri trdih lesovih z veliko gostoto pa okrog 55 %. Takšne razlike v poroznosti so predvsem posledica različne anatomske zgradbe drevesnih vrst [1].

Poroznost je parameter, ki ga ni težko določiti, zagotovo pa ni lahko določiti števila por. Razlog je v tem, da so velikosti praznih prostorčkov v bioloških sestavih lahko velike od nekaj nanometrov do nekaj centimetrov. Za zdaj še ne obstaja nobena metoda, ki bi lahko ustrezno upoštevala ta ogromen razpon [9].

Vsebnost vode v lesu močno vpliva na fizikalne in mehanske lastnosti lesa [10]. Voda je potrebna za rast in razvoj dreves, saj opravlja transport rudninskih in organskih snovi ter predstavlja velik del anatomije svežega oziroma zelenega lesa [1,5,7]. V lesu je prisotna v obliki proste in vezane vode. Prosta ali kapilarna voda se nahaja znotraj celičnih lumnov (notranji prostori celic) in se prosto pretaka po lesu [1,11]. Kapilarna jo imenujemo zato, ker se giblje po anatomskih elementih podobnim kapilaram. Količina te vode je odvisna od drevesne vrste, dela drevesa, rastišča in letnega časa. Ne vpliva na lastnosti in dimenzije lesa, ampak zgolj na gostoto [1]. Vezana ali higroskopska voda pa je voda, ki se veže z molekularnimi silami na celulozo in hemicelulozo v celični steni [11]. Prav te sile pripomorejo k temu, da voda ostane v lesu tudi po tem, ko les izgubi vso prosto vodo [1]. Prosto vodo lahko najdemo v lesu zgolj takrat, ko se

(14)

6

voda ne more več vezati v celično steno. To se zgodi pri točki, ki jo imenujemo točka nasičenosti celičnih sten (v nadaljevanju TNCS). Takrat so celični lumni napolnjeni z zrakom, celične stene pa nasičene z vodo [1]. Vsa količina vode, ki jo dodamo lesu po doseženi točki nasičenja, postane prosta voda [5]. Ob doseženi TNCS vsebuje les približno 30 % vode [1,7].

Pri sušenju svežega lesa do te točke ni sprememb v prostornini celičnih sten, saj se pri tem zmanjšuje zgolj količina proste vode. S sušenjem lesa pod to točko poteka odstranjevanje vezane vode v celičnih stenah, zaradi česar opazimo spreminjanje prostornine lesa [5,12]. Les začne vpijati vlago iz ozračja (postane higroskopen), začnejo pa se spreminjati tudi dimenzije in lastnosti lesa. Bolj kot se približujemo vlažnosti lesa 0 %, večje je to spreminjanje. Ko se celice posušijo, postanejo močnejše in trše [12]. Ob vzpostavitvi ravnovesja med vlažnostjo lesa in relativno zračno vlažnostjo (tako imenovano higroskopsko ravnovesje), les ne vpija več vlage iz zraka [1,5,7,12,13].

Krčenje in nabrekanje se zaradi sprememb vlažnosti lesa nad TNCS ne pojavlja, saj se pri tem zmanjšuje zgolj delež proste vode, ki pa ni povezana s celičnimi stenami in se nahaja zgolj v celičnih lumnih. Spreminja se samo gostota lesa. Spremembe v dimenzijah lesa se pojavijo pri spreminjanju vlažnosti pod TNCS. Les se krči pri zmanjševanju vlažnosti pod TNCS, ter nabreka pri povečevanju vlažnosti do TNCS. Te dimenzijske spremembe lahko povzročijo zvijanje, pokanje, nastanek razpok tako na površini, kot v notranjosti lesa (Slika 2). Poškodbe lahko minimaliziramo s počasnim sušenjem pri kontroliranih pogojih, kot so zagotavljanje konstantne relativne vlažnosti ter temperature s kroženjem zraka [1,5,11].

Dimenzijska stabilnost lesa je ena izmed lastnosti, ki se bistveno razlikuje v vsaki izmed treh značilnih smeri v lesu, kar je posledica anizotropije lesa [1,5,7]. Dimenzijske spremembe v longitudinalni oziroma vzdolžni smeri so med TNCS in suhim stanjem zanemarljivo majhne, in sicer krčenje od 0,1 do 0,2 % pri sušenju od TNCS do absolutno suhega stanja [6]. Združen vpliv krčenja v tangencialni in radialni smeri lahko deformira obliko lesenih kosov, zaradi razlike v krčenju in ukrivljenosti letnic (Slika 3). V splošnem je krčenje v tangencialni smeri (od 4,4 do 7,8 %, odvisno od vrste lesa) dvakrat večje od krčenja v radialni smeri (od 2,2 do 5,6 %) [5,7].

(15)

7

Slika 2: Vidne razpoke na površini lesa, ki so nastale pri sušenju pod točko nasičenosti celičnih sten.

Slika 3: Ker se les v različnih smereh različno krči in nabreka, se ne spreminjajo samo mere in prostornina lesenih teles, temveč tudi njihova oblika [14].

Gostota celične stene znaša približno 1500 ^kg

m³. To je gostota čiste lesne snovi brez por in je za vse drevesne vrste približno enaka, saj je lesna snov vseh vrst zgrajena iz enakih sestavin.

Povprečna gostota lesa je po drugi strani odvisna tako od vlažnosti, kot od vrste lesa (različna poroznost) [1,15,16]. Ker je gostota lesa odvisna od vlažnosti, jo moramo podati kot vrednost pri določenih pogojih, zlasti je pomembna vlažnost. Vrednosti gostote so v splošnem osnovane na masi in prostornini lesa pri enem izmed treh vlažnostnih pogojev:

-absolutno suho stanje, kjer je vlažnost 0 % -sveži les, kjer je vlažnost večja od 30 %

-les za uporabo, kjer je vlažnost med 0 % in 30 % [7].

Gostoto lesa najpogosteje določamo v absolutno suhem stanju. Pri takem lesu so lumni zapolnjeni le s plini, v celičnih stenah pa ni vode. Gostota lesa se z naraščajočo vlažnostjo povečuje. Do TNCS narašča počasi, nad to mejo pa hitreje. Voda je torej pomemben dejavnik,

(16)

8

ki vpliva na gostoto lesa. Poleg vode nanjo vplivajo še drugi dejavniki, kot so drevesna vrsta, starost drevesa, del drevesa in drugi dejavniki, ki jih v nalogi ne bomo posebej obravnavali [1,6,17].

Gostota pomembno vpliva na tehnološke lastnosti lesa. Z naraščanjem gostote narašča tudi krčenje in nabrekanje lesa, toplotna in električna prevodnost, trdota in trdnost lesa, zmanjšuje pa se vnetljivost lesa [1,6,17].

Les ne prevaja dobro električnega toka. Električna prevodnost je odvisna od drevesne vrste, od smeri prevajanja, vlažnosti, kemične sestave in gostote lesa. V intervalu od 0 % do 30 % prevodnost z vlažnostjo narašča (nad TNCS ni sprememb). Največja je v vzdolžni smeri, prisotnost škroba in sladkorja poveča prevodnost, masti, olja in smola pa jo zmanjšujejo. Na električno prevodnost vpliva tudi gostota lesa in sicer, čim večja je gostota, tem večja je električna prevodnost. Električni merilniki vlažnosti, ki jih uporabimo v empiričnem delu, delujejo ravno na principu električne prevodnosti lesa [17].

2.3 Mikrovalovi in les

2.3.1 Mikrovalovi

Mikrovalovi so elektromagnetno valovanje s frekvenčnim razponom od 0,3 GHz (sicer ni jasno določene spodnje meje) do 300 GHz, kar ustreza valovnim dolžinam od 1 m do 1 mm [18]. Ime je torej nekoliko zavajajoče, saj pripadajoče valovne dolžine niso velikostnega reda mikrometrov [19]. Od valovne dolžine je odvisna uporaba elektromagnetnega valovanja v posameznih napravah [20]. Valovne dolžine in frekvenčni razpon, kot ga imajo mikrovalovi, je primeren za delovanje številnih naprav v komunikacijski industriji, znanosti, medicini ter prehranski industriji [19]. Nižje frekvenčno območje mikrovalov se uporablja v komunikacijske namene, višje pa za analitične tehnike, kot je spektroskopija [21]. Čedalje bolj razširjena je uporaba mikrovalov v sodobnih komunikacijskih sistemih. Nekateri novejši tovrstni sistemi, ki delujejo v milimetrskem območju, so: osebni komunikacijski sistem (PCS), brezžično lokalno računalniško omrežje (WLAN) ter navigacijski sistem (GPS) [19].

Mikrovalove uvrščamo med radijske valove [1]. V nasprotju z vidno svetlobo (izjema so laserji), so mikrovalovi koherentni in polarizirani. Za njih veljajo zakoni optike ter so glede na lastnosti materiala, skozi katerega potujejo, lahko prepuščeni, absorbirani ali odbiti [18].

(17)

9

Kovinski materiali popolnoma odbijajo mikrovalove, medtem ko jih ostali, kot so steklo, plastika ali les, prepuščajo. Materiali, ki vsebujejo vodo (npr. hrana, nekatere tekočine, tkiva) absorbirajo mikrovalovno energijo, ki se pri tem pretvori v notranjo energijo [22]. Na tem temelji segrevanje v vsem dobro poznani mikrovalovni pečici. Znotraj pečice se generirajo mikrovalovi z valovno dolžino okrog 12 cm (frekvenca je 2,45 GHz), ki je ravno pravšnja, da elektromagnetno valovanje vpliva na polarne molekule vode [1,23]. Te so sestavljene iz dveh pozitivno nabitih atomov vodika in negativno nabitega kisika, kar predstavlja tako imenovani električni dipol (težišči pozitivnega in negativnega naboja sta razmaknjeni). Vsi električni dipoli molekul vode se konstantno gibljejo in so naključno orientirani. V kolikor pa je molekula vode izpostavljena električnemu polju, se zaradi dipolnega momenta zasuče v smer polja [23,50]. V mikrovalovni pečici je spremenljivo električno polje, ki torej povzroči, da molekule vsiljeno nihajo. Vsiljeno nihanje se zaradi 'notranjega trenja' prenese na ostale molekule v telesu, kar se navzven odraža kot povišanje temperature [23,24].

Oddajnik in sprejemnik mikrovalov

Oddajnikov mikrovalov poznamo več vrst. Najpogosteje se uporabljajo klistron, magnetron in oddajnik z Gunn diodo [1]. Večina jih sestoji iz elektronskega topa ter resonančne votline.

Klistroni generirajo mikrovalovno sevanje z veliko močjo. Najstarejši generator mikrovalov je magnetron, ki je bil izumljen med 2. svetovno vojno, kot vir mikrovalov za radarje za prestrezanje letal. Danes se ga uporablja v mikrovalovnih pečicah [1]. V nadaljevanju podrobneje predstavimo zgolj oddajnik z Gunn diodo, saj je ta najpogostejši v oddajnikih, ki jih uporabljamo v šolah [25]. Ta sestoji iz Gunn diode, ki se nahaja v resonančni votlini, mikrovalovnega roga za usmerjanje izhodnega signala ter stojala, ki je namenjen temu, da lahko oddajnik dvignemo in s tem zmanjšamo odboje mikrovalov od podlage. Oddajnik lahko napajamo z običajno izmenično napetostjo 115 V ali 220/240 V in frekvenco 50 ali 60 Hz.

Sestavni del je tudi LED indikatorska lučka moči ter kotomer, ki omogoča enostavno odčitavanje smeri polarizacije linearno polariziranih mikrovalov [26]. Delovanje oddajnika na Gunn diodo temelji na nihanju napetosti na diodi, ko skoznjo teče električni tok. Gunn dioda je narejena iz tri-slojnega, n-dopiranega polprevodnika [1]. Srednji oziroma notranji sloj je manj dopiran kot zunanja dva [25]. Gunn diodo lahko uporabljamo za generiranje mikrovalov zaradi negativnega diferencialnega upora srednjega sloja, skozi katerega se v določenih primerih tok

(18)

10

zmanjša, ko se poveča napetost na diodi (Slika 4) [1,25]. Nanjo torej priključimo enosmerno napetost v tistem področju, kjer je upor negativen (pri povečanju napetosti se tok zmanjša) [25].

Frekvenca nihanja toka je obratno sorazmerna s širino notranjega sloja v Gunn diodi. V kolikor je frekvenca električnega toka v mikrovalovnem območju, bo dioda sevala energijo v obliki mikrovalov. Frekvenco ojačimo in stabiliziramo tako, da Gunn diodo postavimo v resonančno votlino, snop mikrovalov pa usmerimo z rogom na izhodu resonančne votline. Dobljen snop mikrovalov je relativno ozek (širina okrog 20°) in dobro usmerjen. Dioda oddaja linearno polarizirane koherentne mikrovalove, ki se širijo približno vzdolž simetrijske osi roga [25].

Slika 4: Oddajnik mikrovalov na Gunn diodo (levo) ter tokovno napetostna karakteristika (desno) [1,26].

Rogova oddajnika in sprejemnika sta popolnoma enaka. Funkcija, ki jo ima rog sprejemnika, je v zbiranju mikrovalov ter vodenju le-teh do visokofrekvenčnega diodnega detektorja. Dioda se odzove zgolj tistim komponentam mikrovalovnega signala, ki so polarizirane vzdolž diodne osi. Sledi pretvarjanje elektromagnetnega valovanja v enosmerno napetost, ki se spreminja z velikostjo mikrovalovnega signala. Pri večini diodnih detektorjev mikrovalov je izhodni signal (navadno tok ali napetost) sorazmeren intenziteti sprejetega valovanja ali amplitudi električnega polja sprejetega valovanja. V nalogi uporabljamo sprejemnik, ki ima izhodni signal (električna napetost) sorazmeren z amplitudo električnega polja [1]. Dodatno ga priključimo še na »rotary motion detector« oziroma kotni detektor gibanja, kar nam omogoči, da preko Vernierjevega vmesnika sočasno merimo tako kot zasuka sprejemnika, kot tudi izhodno napetost sprejemnika oziroma amplitudo električnega polja.

(19)

11 2.3.2 Elektromagnetna teorija

Pri potovanju elektromagnetnega valovanja skozi les, le-tega obravnavamo kot idealni dielektrik, kar pomeni, da v njem ni prostih elektronov. Pri razširjanju elektromagnetnega valovanja po lesu električna sila premakne tako pozitivne kot tudi negativne naboje v atomih in molekulah. Pojavi se dipolni moment molekul ali atomov. Vsota vseh dipolnih momentov na enoto prostornine definira polarizacijo lesa. Pravimo, da elektromagnetno valovanje les polarizira [25].

Polarizabilnost lesa

Glede na frekvenco elektromagnetnega valovanja ločimo elektronsko, ionsko, orientacijsko ter strukturno polarizabilnost. V nadaljevanju obravnavamo zgolj orientacijsko polarizabilnost, saj je ta najbolj izrazita v mikrovalovnem področju. Pri tovrstni polarizabilnosti so pomembne molekule s stalnim dipolnim momentom, ki so medsebojno neodvisne in se lahko prosto vrtijo.

Čeprav imajo posamezne molekule stalni dipolni moment, je skupni dipolni moment skupine molekul enak nič [1]. Polarne molekule (hidroksilne –OH^- skupine molekul vezane ali proste vode) so tiste, zaradi katerih se v lesu pojavi orientacijska polarizabilnost. Pri delovanju zunanjega električnega polja se tovrstne molekule v povprečju usmerijo vzdolž polja (Slika 5).

Na to, v kolikšni meri se bodo molekule poravnale s smerjo polja, močno vpliva temperatura (termično gibanje). Zaradi termičnega gibanja, ki nasprotuje električni sili, je usmerjenost dipolov le delna [1].

Slika 5: Orientacijska polarizabilnost; neurejenost dipolnih momentov, ko nanje ne deluje električno polje (levo) ter urejenost dipolnih momentov ob delovanju zunanjega električnega polja (desno).

Poleg temperature na orientacijsko polarizabilnost pomembno vpliva tudi voda v lesu [1]. Pri suhem lesu so verige molekul celuloze med seboj povezane s kemijskimi vezmi, zaradi česar elektromagnetno valovanje težje zavrti polarne dele molekul celuloze. Te vezi lahko pretrga

(20)

12

vezana hidroksilna skupina OH^-, ki ostane v verigah molekul celuloze po tem, ko se v celično steno veže voda (Slika 6). V vlažnem lesu so torej polarne skupine (H₂COH in OH) v molekuli celuloze bistveno bolj gibljive, kar pomeni večjo polarizabilnost lesa [25].

Slika 6: Makromolekula celuloze v primeru suhega lesa (levo) ter vlažnega lesa (desno) [1,25].

Dielektrični parametri lesa

Različna polarizabilnost lesa vpliva na dielektrično konstanto 𝜀^′ in faktor izgub 𝜀^′′, ki sta osnovna dielektrična parametra lesa. Dielektrična konstanta nam pove, kako močno se bo v snovi prerazporedil naboj v prisotnosti zunanjega električnega polja, medtem ko je faktor izgub povezan z deležem energije, ki se absorbira v snovi v spremenljivem električnem polju. Oba parametra sta odvisna od gostote lesa, vrste lesa, vsebnosti vode, temperature, frekvence zunanjega električnega polja, ter od relativne orientacije med smerjo električnega polja valovanja in smerjo vlaken v lesu [1].

Simetrija lesa

Glede na simetrijo ločimo dvoosne in enoosne materiale. Dvoosni imajo tri različne smeri z različnimi toplotnimi, mehanskimi in dielektričnimi lastnostmi, enoosni pa zgolj dve. Kot so pokazale raziskave lahko les za večino drevesnih vrst obravnavamo kot enoosnega [1]. Smeri vzporedno in pravokotno na lesna vlakna sta smeri, vzdolž katerih ima les različne dielektrične lastnosti. Dielektrična konstanta je največja za električno polje, ki je vzporedno z vlakni. Vzrok

(21)

13

za to izhaja iz same zgradbe lesa. Osnovno tkivo lesa je sestavljeno iz podolgovatih celic, ki so pretežno usmerjene v eno smer. Na polarizabilnost lesa vplivajo verige molekul celuloze, ki so bolj polarizabilne v smeri vlaken. Poleg tega vpliva na polarizabilnost lesa tudi različna gostota vlaken med letnicama, kar je posledica letne rasti drevesa (rani in kasni les) [1].

Razširjanje elektromagnetnega valovanja v anizotropni snovi

Pri električno anizotropnih snoveh je hitrost razširjanja valovanja odvisna od smeri razširjanja in polarizacije valovanja. Smeri vektorja gostote 𝐷⃗⃗ in jakosti 𝐸⃗ električnega polja se v splošnem razlikujeta zaradi atomske in molekularne zgradbe snovi, saj so viri polarizabilnosti naboji v atomih. Za lažje razumevanje polarizabilnosti si oglejmo model, pri katerem je negativno nabita elektronska lupina pripeta na atomsko jedro z vzmetmi (Slika 7). V anizotropni snovi imajo vzmeti različne prožnostne koeficiente. S pomočjo tega modela si lažje predstavljamo, da je odmik elektrona iz mirovne lege odvisen od smeri in amplitude zunanjega električnega polja 𝐸⃗

[1].

Slika 7: Model prikazuje negativno nabito elektronsko lupino, ki je z različnimi vzmetmi povezana s pozitivnim jedrom [1].

V tem poglavju se posvetimo opisu razširjanja elektromagnetnega valovanja v lesu, ki je anizotropna dielektrična snov, kar pomeni, da je dielektričnost lesa odvisna od smeri. V elektromagnetnem valu, ki se razširja po lesu, jakost 𝐸⃗ in gostoto električnega polja 𝐷⃗⃗ povezuje naslednja zveza

𝐷⃗⃗ = 𝜀₀𝛜𝐸⃗ , (2)

pri čemer je 𝜀₀ dielektrična konstanta, 𝛜 pa tenzor dielektričnosti lesa [25]. V splošnem gostota in jakost električnega polja v elektromagnetnem valu nista vzporedna, zato mora biti

(22)

14

dielektričnost lesa tenzor. V lastnem koordinatnem sistemu ga zapišemo z diagonalno matriko kot

𝛜^∗= [

𝜖_r 0 0 0 𝜖_i 0 0 0 𝜖_r

], (3)

pri čemer je 𝛜^∗ tenzor dielektričnosti v lastnem koordinatnem sistemu, 𝜖_i in 𝜖_r pa dielektričnosti lesa v smeri vlaken in pravokotno nanje [25].

Slika 8: Lastni koordinatni sistem kosa lesa. Smer y sovpada s smerjo vlaken, smeri x in z pa sta pravokotni nanje.

Zvezo (2) v lastnem koordinatnem sistemu zapišemo kot [25]

𝐷⃗⃗ = 𝜀₀𝛜^∗𝐸⃗ . (4)

Za zapis valovne enačbe potrebujemo še Maxwellove enačbe oziroma osnovne zakone elektromagnetnega polja. Ob upoštevanju zveze 𝐵⃗ = 𝜇₀𝐻⃗⃗ , torej da je les nemagnetna (𝜇 = 1), anizotropna dielektrična snov, ki ne vsebuje prostih nabojev (po njem torej ne more teči električni tok), imajo Maxwellove enačbe naslednjo obliko:

∇ × 𝐸⃗ = −^𝜇⁰^𝜕𝐻^⃗⃗

𝜕𝑡 , (5)

∇ × 𝐻⃗⃗ = ^𝜕𝐷^⃗⃗

𝜕𝑡, (6)

∇ · 𝐻⃗⃗ = 0, (7)

∇ · 𝐷⃗⃗ = 0. (8)

(23)

15

Zvezo (4) med 𝐷⃗⃗ in 𝐸⃗ za dielektrik vstavimo v Maxwellove enačbe (5-8) in z nekaj računanja dobimo valovno enačbo

∇ × ∇ × 𝐸⃗ + 𝛜^{∗ 1}

𝑐²

𝜕²∙𝐸⃗

𝜕𝑡² = 0, (9)

kjer je 𝑐 fazna hitrost svetlobe v vakuumu [25].

Redno in izredno valovanje

Zanima nas, kaj se zgodi v enoosni anizotropni snovi s harmonskim elektromagnetnim valovanjem s frekvenco 𝜔, ki potuje v smeri, določeni z valovnim vektorjem 𝑘⃗ . Izberemo si takšen lastni koordinatni sistem lesa, kjer smer 𝑦 sovpada s smerjo vlaken, smeri 𝑥 in 𝑧 pa sta pravokotni nanje (Slika 8). Rešitev enačbe (9) za ravni val, ki se razširja v smeri valovnega vektorja 𝑘⃗ v ravnini 𝑦𝑧, da dve rešitvi za 𝐸⃗ . Ena rešitev ustreza tako imenovanemu rednemu žarku, druga, ki ima smer električnega polja pravokotno na prvo, ustreza izrednemu žarku.

Lomni količnik oziroma fazna hitrost širjenja izrednega žarka je odvisna od kota med valovnim vektorjem 𝑘⃗ in smerjo vlaken (os y na sliki 8) [1,25].

Lomni količnik lesa

Na razširjanje elektromagnetnega valovanja skozi snov pomembno vpliva lomni količnik. V primeru lesa je lomni količnik tenzor. Zveza, ki povezuje lomni količnik 𝐧 in tenzor dielektričnosti 𝛜^∗ v lastnem koordinatnem sistemu, je:

(

𝜖_𝑟 0 0 0 𝜖_𝑖 0 0 0 𝜖_𝑟

) = (

𝑛_𝑟² 0 0 0 𝑛_𝑖² 0 0 0 𝑛_𝑟²

), (10)

pri čemer je 𝑛_𝑟 lomni količnik za redno valovanje, 𝑛_𝑖 pa lomni količnik za izredno valovanje, ki ima valovni vektor v ravnini 𝑥𝑧, torej se razširja pravokotno na vlakna [25].

Obe valovanji se razširjata v izbrani smeri z različno fazno hitrostjo. Redno valovanje se razširja v vse smeri z enako fazno hitrostjo 𝑣_𝑟, ki je določena z lomnim količnikom rednega valovanja v lesu, kot 𝑣_𝑟 = ^𝑐

𝑛𝑟. Poleg lomnega količnika na fazno hitrost izrednega valovanja vpliva tudi smer razširjanja valovanja. V primeru razširjanja v ravnini 𝑥𝑧 velja 𝑣_𝑖 = ^𝑐

𝑛𝑖, v primeru

(24)

16

razširjanja v smeri 𝑦 pa je fazna hitrost izrednega žarka enaka hitrosti rednega. Smeri 𝑦 pravimo optična os in je usmerjena vzdolž lesnih vlaken. Razliko lomnih količnikov izrednega in rednega valovanja imenujemo dvolomnost in jo označujemo z Δ𝑛 [25]. To zapišemo kot

Δ𝑛 = 𝑛_𝑖 − 𝑛_𝑟. (11)

Razširjanje elektromagnetnega valovanja v neidealnem dielektriku

Les ni popoln dielektrik, saj se določen del elektromagnetnega valovanja pri potovanju skozi les absorbira. Pri tem se amplituda električnega polja valovanja zmanjšuje eksponentno z razdaljo 𝑑 kot

𝐸 = 𝐸₀𝑒^−Λ𝑑, (12)

pri čemer je Λ absorpcijski koeficient [25].

Razširjanje mikrovalov v lesu

Za mikrovalove je les nehomogena, anizotropna in deloma prevodna snov. Določanje lastnih smeri lesa je preprosto, saj nam jih tipična struktura lesa lepo prikazuje. Vpliv lesa na elektromagnetno valovanje je odvisen od relativne orientacije med smerjo električnega polja in smerjo lesnih vlaken, ki je pri večini drevesnih vrst dobro vidna [1]. Ločimo dve različni lastni smeri, in sicer ena vzporedno (𝑦) ter dve med seboj enaki pravokotno na lesna vlakna (𝑥 in 𝑧).

V nadaljevanju bomo obravnavali razširjanje linearno polariziranih mikrovalov, ki jih običajno oddajajo oddajniki. Amplitudo mikrovalov, ki pravokotno vpadajo na površino kosa lesa, v lastnem koordinatnem sistemu lesa zapišemo kot

𝐸_𝑣(𝑡, 𝑧) = (𝐸_𝑥, 𝐸_𝑦) cos(𝜔𝑡 − 𝑘𝑧) = 𝐸₀(sin𝛽, cos𝛽) cos(𝜔𝑡 − 𝑘𝑧), (13) pri čemer je 𝐸₀ amplituda električnega polja mikrovalov, 𝜔 krožna frekvenca, 𝑘 valovno število in 𝛽 kot med smerjo amplitude električnega polja mikrovalov ter smerjo 𝑦 vzporedno lesnim vlaknom (Slika 9) [1].

(25)

17

Slika 9: Postavitev lesa, polarizatorja in analizatorja. Mikrovalovi se širijo v smeri osi z, torej pravokotno na smer lesnih vlaken, ki so označena s temnejšimi črtami. S puščicama sta označeni prepustni smeri polarizatorja (P) in analizatorja (A)

[1].

Vpadle linearno polarizirane mikrovalove v lesu razstavimo na dve komponenti z med seboj pravokotnima polarizacijama (𝐸_𝑥 in 𝐸_𝑦). Ti sta usmerjeni vzdolž lastnih smeri lesa (𝑥 in 𝑦 os) (Slika 10) [1].

Slika 10: Linearno polarizirano valovanje pred vstopom v snov. Jakost električnega polja (𝑬_𝟎) niha v ravnini 𝒙𝒚. Z 𝒙 je označena smer največjega, z 𝒚 pa smer najmanjšega lomnega količnika.

Posledica je različna hitrost, valovna dolžina ter optična pot obeh valovanj. Zaradi tega se pojavi fazna razlika 𝛿 med obema komponentama (Slika 11). Polarizacijsko stanje valovanja po prehodu skozi anizotropno snov je odvisno od fazne razlike ter od velikosti amplitud obeh komponent. Najpogosteje je eliptično, v posebnih primerih lahko tudi linearno ali krožno [1].

(26)

18

Slika 11: Grafični prikaz razširjanja valovanja z valovno dolžino 𝝀𝟎 skozi anizotropno snov debeline 𝒅, v kateri se zaradi različne fazne hitrosti obeh komponent vpadnega valovanja (𝑬_𝒙 označuje rdeča, 𝑬_𝒚 pa modra barva) pojavi fazna razlika

𝜹. Z 𝝀𝒚 je označena valovna dolžina valovanja s polarizacijo v smeri osi 𝒚, z 𝝀𝒙 pa v smeri osi 𝒙 [1].

Amplitudo električnega polja prepuščenega linearno polariziranega valovanja zapišemo kot 𝐸_𝐴 = 𝐸₀√sin²𝛽 sin²𝛼 𝑒^−2Λ^𝑥^𝑑 + cos²𝛽 cos²𝛼 𝑒^−2Λ^𝑦^𝑑−¹

2𝑒^−(Λ^𝑥^+Λ^𝑦⁾^𝑑sin2𝛼 sin2𝛽 cos𝛿, (14) pri čemer sta Λ_𝑥 in Λ_𝑦 absorpcijska koeficienta za obe valovanji s pravokotnima polarizacijama.

S pomočjo enačbe in ustrezne postavitve polarizatorja, analizatorja in vzorca lesa lahko določimo dvolomnost in oba absorpcijska koeficienta lesa za mikrovalove [1].

2.4 Vlažnost lesa

Spoznali smo že, da je les higroskopski material. Poroznost oziroma prepustnost mu omogoča vpijanje vode iz zraka in shranjevanje le-te znotraj celičnih membran in celičnih lumnov.

Higroskopska narava lesa se odraža v vpijanju in oddajanju vlage, z namenom ohranjanja ravnovesne vlažnosti z okolico. Ravnovesna vlažnost je dosežena takrat, ko les ne sprejema in ne oddaja vode [27]. Na doseganje ravnovesne vlažnosti vpliva relativna vlažnost ter temperatura okoliškega zraka [28]. Les je odprt sistem, kar pomeni, da ves čas izmenjuje snovi z okolico. V primeru, ko je stopnja vlažnosti zraka različna kot v lesu, bo les absorbiral ali oddajal vlago iz zraka ali v zrak toliko časa, dokler ne bo vzpostavljeno ravnovesje [29].

V mokrih ali vlažnih pogojih les vpija vlago in nabrekne, v suhih pa oddaja vlago in se krči.

Količino vode, ki jo les vsebuje v določenem trenutku, imenujemo vlažnost [30]. Vlažnost vpliva na veliko fizikalnih in mehanskih lastnosti lesa ter posledično na njegovo uporabo [14,31].

(27)

19

Vlažnost lesa lahko izrazimo na dva načina. Prvi način imenujemo vlažnost lesa na zeleni oziroma mokri osnovi (absolutna vlažnost), drugega pa vlažnost na suhi osnovi (relativna vlažnost) [32,33].

a) Vlažnost lesa na zeleni osnovi oziroma absolutna vlažnost lesa

Pri tem načinu izrazimo vlažnost lesa kot delež skupne mase lesa, ki vključuje maso suhega lesa in maso dodatne vode. Ta način se uporablja v kemičnih predelovalnih industrijah.

Vlažnost na tej osnovi je vedno manjša od 100 %. Izračunamo jo kot 𝑥 = ^𝑚^𝑣

𝑚_𝑣+𝑚_𝑠𝑙, (15)

kjer je 𝑥 vlažnost, 𝑚_𝑣 masa vode v lesu, 𝑚_𝑠𝑙 pa masa popolnoma suhega lesa [32,33,34].

b) Vlažnost lesa na suhi osnovi oziroma relativna vlažnost lesa

Vlažnost lesa je pri tem načinu definirana kot delež mase suhega lesa. Če definiramo vlažnost na tak način, se lahko zgodi, da bo vlažnost večja od 100 %. To bomo dosegli v primeru zelo vlažnega kosa lesa, ko je masa vode v lesu večja od mase suhega lesa. Ta način se pogosteje uporablja za masivne lesne izdelke vseh vrst, kot so furnir, vezane plošče, iverne plošče ter ostale ploščate izdelke. Kadar nas zanima spreminjanje vlažnosti, je tak način videti bolj primeren, saj imenovalec ostaja ves čas enak, spreminja pa se zgolj števec [32,33]. Relativno vlažnost lesa izračunamo kot [34,35]

𝑢 = ^𝑚^𝑣

𝑚𝑠𝑙. (16)

Relativna vlažnost svežega lesa lahko v splošnem zavzame vrednosti od 25 % do 250 %. V svežem lesu iglavcev je vlažnost beljave običajno večja od vlažnosti jedrovine, pri listavcih pa je ta razlika povsem odvisna od posamezne vrste [14].

Oba načina določanja vlažnosti sta primerna in se ju pogosto uporablja [32]. V nalogi vse vlažnosti podajamo v skladu z enačbo (16) in zato se beseda 'vlažnost' v nadaljevanju vedno nanaša na 'relativno vlažnost', izračunano po enačbi (16).

2.4.1 Metode merjenja vlažnosti

Metode merjenja vlažnosti delimo v dve skupini. V prvi skupini so metode, ki delujejo na principu odstranjevanja vlage in nato merjenja mase le-te. Takemu načinu določanja vlažnosti

(28)

20

pravimo neposredni, zato se tudi imenujejo direktne oziroma neposredne metode. Sem prištevamo gravimetrično (metoda tehtanja) in destilacijsko oziroma ekstrakcijsko metodo. V drugo skupino pa uvrščamo metode, kjer najprej poteka merjenje neke vmesne spremenljivke, ki se jo nato pretvori v vlažnost. Določanje vlažnosti poteka posredno, zato jih imenujemo indirektne oziroma posredne metode. Te so kapacitivna, mikrovalovna, radiometrična, sorpcijska, spektrometrična, metoda barvne spremembe ter uporovna metoda [28,36]. V nadaljevanju predstavimo zgolj gravimetrično in uporovno metodo, ki ju uporabimo za določanje vlažnosti lesa v empiričnem delu.

Gravimetrična metoda ali metoda tehtanja

Gravimetrična metoda je med najbolj uporabljenimi in najstarejšimi metodami za določanje vlažnosti lesa [28]. Pogosto se jo uporablja za preverjanje rezultatov, dobljenih s pomočjo uporabe drugih metod, na primer z električnimi merilniki vlage [33]. Ta metoda vključuje odvzem vzorca iz lesnega elementa. Pri tem moramo biti zelo pozorni, kajti pomembno je, da vzamemo tak vzorec, ki bo v čim večji meri predstavljal celoten element, iz katerega smo vzorec vzeli. V ta namen vzorca nikoli ne vzamemo na čelu elementa, ampak vedno na neki primerni oddaljenosti od čela, katerega vlažnost se lahko precej razlikuje od preostalega dela (Slika 12).

Zatem vzorec stehtamo (𝑚_𝑣𝑙). Sledi postopno sušenje v sušilnici do absolutno suhega stanja, ki ga dosežemo takrat, ko se masa vzorca ne spreminja več oziroma pri temperaturi malo nad 100 ºC. Ko dosežemo to stanje, vzorec ponovno stehtamo (𝑚₀). Sledi samo še izračun absolutne ali relativne vlažnosti po enačbi (15) oziroma (16) [37].

Z gravimetrično metodo dobimo zelo natančne rezultate (v idealnih pogojih je natančnost 0,3 do 0,4 %) [28,33]. Dobljene rezultate lahko uporabimo za nastavitev indirektnih merilnikov oziroma merilne opreme. Kljub temu je to destruktivna metoda, saj zahteva odvzem vzorca, merjenje na tak način pa je tudi časovno zelo potratno (na rezultat čakamo približno 24 ur).

Celoten postopek lahko pospešimo s sušenjem v mikrovalovni pečici, vendar je tak način manj zanesljiv [33]. Napake se lahko pojavijo, če les vsebuje še veliko količino drugih hlapnih snovi poleg vode, ki izhlapi med sušenjem [33]. V tem primeru izmerimo višjo vlažnost lesa od dejanske vrednosti. To se lahko zgodi pri vrstah lesa, ki vsebujejo naravna hlapna olja ali smole, toda v praksi ta vpliv običajno ni zelo pomemben, zato ga pogosto zanemarimo [33]. Nasprotno se lahko zgodi v primeru, ko testni vzorec vsebuje veliko količino snovi, ki ne izhlapevajo med sušenjem (soli, smola, polimeri) [33]. Na končno izmerjeno vlažnost vplivajo tudi razni posegi

(29)

21

v les. Proces vrtanja med odstranjevanjem jedra lahko zaradi povečane temperature na tistem delu povzroči izhlapevanje hlapov, kar pomeni večjo naknadno izmerjeno vlažnost. Preiskave o gradientu vlage v lesnih elementih so sicer izvedljive, a precej zahtevne, saj zahtevajo ekstrakcijo (odvzemanje) in segmentacijo (drobljenje) vzorca, ne da bi pri tem vplivali na vsebnost vlage [28].

Slika 12: Odvzem vzorca na primerni oddaljenosti od čela elementa pri gravimetrični metodi [37].

Uporovna metoda in električni merilniki vlažnosti

Zaradi omenjenih slabosti gravimetrične metode so se kmalu pojavile potrebe po hitrejši, zanesljivi, ne destruktivni metodi za določanje vlažnosti, ki bi jo lahko uporabljali v običajni lesni in trgovski praksi. Ta želja je bila uresničena z razvojem prenosnih električnih merilnikov vlažnosti, ki merijo vlažnost posredno preko električnih lastnosti lesa, ki se spreminjajo prav z vlažnostjo [33]. Električni merilniki vlage merijo bodisi prevodnostne (upor), bodisi dielektrične lastnosti, ki se zelo spreminjajo z vlažnostjo pod 30 %. Na osnovi tega jih ločimo na uporovne ter dielektrične oziroma kapacitivne [38]. Za merjenje vlažnosti v empiričnem delu uporabimo dva uporovna merilnika, zato se v nadaljevanju osredotočimo zgolj na tovrstne merilnike in metodo, na kateri temelji njihovo delovanje.

Uporovna metoda temelji na merjenju upora ali prevodnosti lesa. Električni upor se zmanjšuje z naraščanjem vlažnosti, saj je voda veliko boljši prevodnik od lesa. S pomočjo te korelacije lahko določimo vlažnost lesa [28]. Uporovne merilnike razlikujemo po številu in obliki elektrod. V praksi so uveljavljeni merilniki z dvema in štirimi igelnimi elektrodami (Slika 13).

Pri slednjih, vsak pol predstavljata dve igelni elektrodi [38].

(30)

22

Slika 13: Uporovni merilnik Voltcraft z dvema igelnima elektrodama (levo) ter uporovni merilnik MD-4G s štirimi igelnimi elektrodami (desno).

Merjenje vlažnosti z uporovnimi merilniki je zelo preprosto. Elektrode merilnika zapičimo na površino lesa, pri čemer je priporočljivo, da jih usmerimo vzporedno z lesnimi vlakni, kljub temu, da se izmerjene vrednosti ne bodo veliko razlikovale od tistih, ki bi jih pridobili pri merjenju pravokotno na lesna vlakna. Merilni sistem zagotovi električni tok skozi les in določa vlažnost v odvisnosti od izmerjenega padca napetosti med elektrodami [28].

Medtem, ko teče električni tok skozi les različnih vlažnosti, lahko na mikroskopskem nivoju opazujemo različne pojave. Pri vlažnosti 0 – 20 % je število nosilcev naboja v lesu glavni dejavnik, ki vpliva na prevodni mehanizem. Pri višjih vsebnostih vlage je stopnja disociacije (razmerje med številom molekul snovi, ki razpadejo na ione in skupnim številom molekul te snovi) mnogo večja, zato gibanje ionov postane glavni dejavnik, ki določa električno prevodnost [39].

Ko skozi vlažen les teče enosmerni električni tok, pride do polarizacije. Vzrok za polarizacijo je dielektrično obnašanje molekul vode v lesu. Vsaka molekula vode ima pozitivni in negativni pol. Po določenem času izpostavljenosti električnemu polju se molekule vode obrnejo in postavijo vzporedno s silnicami električnega polja (Slika 14) [39].

(31)

23

Slika 14: Orientacija molekul vode pred (levo) in po vzpostavitvi električnega polja (desno) [39].

Električni tok teče po različnih »poteh« med elektrodama merilnika (Slika 14 desno), pri čemer ga večji del teče tam, kjer je vlažnost lesa večja, saj je tam električni upor manjši. Merilnik izmeri celoten tok med elektrodama, določi povprečje in ga po vnaprej vgrajeni funkciji pretvori v povprečno vlažnost merjenega dela. Merjenje določenega dela ali na določeni globini nam omogoča uporaba izoliranih igelnih elektrod, ki imajo le omejeno površino brez izolacije.

Nalogo elektrode tako opravlja zgolj manjši, neizoliran del, in izmerjena vlažnost je dejanska vlažnost na globini, na katero vstavimo igelne elektrode. Povprečno vlažnost izmerimo nekje med površino in sredino prečnega prereza (proizvajalci svetujejo vstavitev igelnih elektrod v območju od ¹

4 do ¹

3 debeline kosa lesa) [31,39].

Območje delovanja električnih merilnikov vlažnosti je od 7 % do 28 % vlažnosti lesa. Za nižje vrednosti vlažnosti (𝑢 < 7 %) specifični električni upor lesa močno naraste (Slika 15), zato so opravljene meritve v tem območju nezanesljive. Pri višjih vrednostih vlažnosti (𝑢 > 28 %), pa je specifični električni upor vedno bolj odvisen od ionov, raztopljenih v vodi v lesu, zaradi česar so meritve v tem območju ravno tako nezanesljive [39].

(32)

24

Slika 15: Graf prikazuje odvisnost električnega upora od vlažnosti. Med 7 % in 28 % vsebnosti vlage je odvisnost linearna, kar nam omogoča dokaj natančno merjenje vlažnosti na tem območju [40].

Dejavniki, ki vplivajo na natančnost električnih merilnikov

Na natančnost meritev, ki jih pridobimo z električnimi merilniki, vplivajo številni dejavniki.

Med njimi so tudi takšni, ki jih pravzaprav ne poznamo oziroma jih napačno upoštevamo. Eden takšnih dejavnikov je umeritev merilnika. To je naloga proizvajalca inštrumenta, ki mu uporabnik preprosto zaupa in sprejme umeritvene podatke. Natančnost umerjanja za posamezno vrsto lesa je uporabniku nepoznana. Poleg tega poznamo še druge dejavnike, ki pa jih uporabnik lahko kontrolira. Glavni dejavniki, ki poleg vlažnosti vplivajo na električne lastnosti lesa so:

vrsta in gostota lesa, porazdelitev vlage, temperatura, elektrodni stik, smer vlaken, kemikalije v lesu, vremenski pogoji ter spretnost uporabnika [38]. Tako veliko število dejavnikov je vsekakor ena izmed slabosti električnih merilnikov, a kljub temu je njihova uporaba najbolj razširjena. Ta se je že močno razširila v lesni industriji in gradbenih dejavnostih. Njihova prednost je, da so cenovno dostopni, prenosni, hitri ter enostavni za uporabo [32]. V nadaljevanju podrobneje predstavimo vpliv omenjenih dejavnikov na natančnost električnih uporovnih merilnikov.

(33)

25 Vrsta lesa

Vrsta lesa vpliva tako na specifični upor, kot tudi na dielektrične lastnosti lesa pri določeni vlažnosti. Specifični upor različnih vrst lesa se razlikuje zaradi drugačne strukture in koncentracije elektrolitov, dielektrične lastnosti pa zaradi drugačne gostote lesa. Ko prejmemo potrebne umeritvene podatke za posamezno vrsto, moramo narediti ustrezne popravke. Če teh podatkov nimamo, lahko uporovne merilnike uporabljamo za odčitavanje približnih vrednosti, saj so popravki zaradi vrste lesa manjši od 2 %, še posebno v primeru vlažnosti lesa pod 15 % [41].

Porazdelitev vlage

Velika vlažnost površine vzorca lesa tvori plast, kjer je specifični električni upor zelo majhen, dielektrična konstanta ter faktor izgube pa velika. V splošnem to povzroči, da električni merilniki izmerijo previsoko vlažnost. Kolikor toliko natančno povprečno vlažnost vzorca z visoko površinsko vlažnostjo bi lahko izmerili z uporovnim merilnikom, ki ima nameščene izolirane igelne elektrode. Vendar bomo v primeru stoječe proste vode na površini vzorca tudi s takšnim načinom merjenja dobili napačne rezultate [41].

Posledica neenakomerne porazdelitve vlage v vzorcu so meritve, ki se lahko zelo razlikujejo od povprečne vlažnosti. Zaradi tega je priporočljivo, da meritve nekajkrat ponovimo ter jih opravljamo 2,5 – 3 cm od robov lesa, saj je sušenje v bližini robov hitrejše [41].

Vlažnostni gradienti lesa, ki se suši, se lahko zelo razlikujejo od pričakovane oblike, na podlagi katere vemo, da bomo povprečno vlažnost izmerili z vstavitvijo elektrod na globino ¹

4 do ¹

3

debeline vzorca. Tega ''pravila'' za vlažnostne gradiente različnih oblik seveda ne moremo uporabljati. Drugačni vlažnostni gradienti pa ne vplivajo veliko na meritve radio-frekvenčnih merilnikov, saj ti merijo v širšem območju. Na meritve teh najbolj vplivajo plasti, ki so najbližje elektrodi [41].

Temperatura

Z naraščanjem temperature se upor zmanjšuje (Slika 16) [28]. Vpliv temperature na meritve, pridobljene z uporovnimi merilniki, ni zanemarljiv takrat, ko merimo vlažnost vzorca s temperaturo nad 32 °C ali pod 21 °C. Tedaj je potrebno narediti ustrezne popravke. Velikost

(34)

26

popravka je odvisna od temperature in vlažnosti vzorca in ga določimo s pomočjo grafa (Slika 17). V kolikor nimamo možnosti vpogleda v graf, lahko uporabimo manj natančen popravek: v primeru temperature vzorca nad 32 °C, izmerjeni vrednosti odvzamemo 1 % vlažnosti za vsakih 11 °C nad to temperaturo, in dodamo 1 % izmerjeni vrednosti za vsakih 11 °C pod spodnjo umeritveno temperaturo 21 °C [38,41]. Profesionalni merilniki vlage omogočajo neposredno kalibracijo zaradi temperature. To zahteva predhodno določitev površinske temperature lesa z brezkontaktnimi infrardečimi merilniki temperature [28].

Slika 16: Vpliv temperature in lesne vlažnosti na upor lesa (manjši razpon vlažnosti) [37].

(35)

27

Slika 17: Vpliv temperature in lesne vlažnosti na upor lesa (večji razpon vlažnosti) [28].

Usmerjenost vlaken

Pri uporovnih merilnikih je priporočljivo, da so elektrode usmerjene vzdolž lesnih vlaken. Vpliv usmerjenosti lesnih vlaken je zanemarljiv pod 15 % vlažnosti, nad 20 % pa je odstopanje meritev pri merjenju vzdolž in pravokotno na lesna vlakna lahko do 2 % [38,41].

Kemikalije v lesu

Les, ki ga obdelajo s soljo z namenom večje obstojnosti in zaščite pred požari, ima v splošnem manjši upor in večjo dielektrično konstanto ter faktor izgube, kot neobdelan les pri isti vlažnosti.

Posledično bodo dobljene vrednosti vlažnosti obdelanega lesa previsoke. Napaka se povečuje z naraščanjem vlažnosti: pod 8 % je zanemarljiva, nad okoli 10 % vlažnosti pa se napaka močno poveča in jo je nemogoče odpraviti. Na meritve lahko vplivajo tudi nekatera lepila, ki so električni prevodniki in se jih uporablja v vezanih ploščah [41].

(36)

28 Vremenski pogoji

Če uporabljamo električne merilnike vlažnosti v meglenem, deževnem vremenu, ali jih premaknemo iz hladnejšega okolja v toplejše, bolj vlažno okolje, se na delih merilnika oblikujejo vlažne plasti (merilnik se orosi). Te plasti se v obliki kapljic odstranjujejo z merilnika, kar lahko v veliki meri vpliva na delovanje merilnika. Kot posledica nastopijo težave v prilagajanju in uravnavanju merilnika, napačne ali nestabilne ničelne nastavitve ter neodzivnost merilnika pri odčitavanju nizkih vlažnosti [38,41].

2.5 Sušenje lesa

Sušenje lesa je energetsko najbolj potraten in drag proces v lesni industriji [42]. Velika količina vode, ki jo les vsebuje takoj po poseku, ne zagotavlja dimenzijske stabilnosti in biološke odpornosti. Ker je s tem omejena njegova nadaljnja obdelava in predelava, je sušenje nujna in največkrat prva faza predelave lesa v končne izdelke [43]. Cilj sušilnega postopka je, da v najkrajšem času in pri najmanjši porabi energije kakovostno osušimo les do ravnovesne vlažnosti, ki je najprimernejša za nadaljnjo uporabo [43,44]. Tedaj je doseženo higroskopsko ravnovesje s klimo okolja in les se ne krči oziroma nabreka (les ne vpija in oddaja vlage) [44].

To še dodatno preprečimo z raznimi premazi s kemikalijami (npr. anhidrid ocetne kisline), ki hidroksilne skupine nadomestijo z drugimi hidrofobnimi funkcionalnimi skupinami [45]. Na kvaliteto sušenja vplivajo številni dejavniki (način sušenja, pogoji za sušenje, tehnološka oprema, lastnosti lesa), ki jih nikakor ne moremo obravnavati ločeno [43]. Posušen les je dimenzijsko stabilnejši, biološko odpornejši, ima boljše mehanske lastnosti, zmanjša se mu gostota (posledično je les lažji), kar pripomore k boljši manipulaciji in nižjim stroškom transporta [43,44]. Spremenijo se mu tudi toplotne, energijske, električne in akustične lastnosti [31].

2.5.1 Mehanizem sušenja lesa

Les se suši od zunaj proti notranjosti [46]. S površine lesa najprej izhlapeva prosta voda v okoliški zrak, iz sredine pa se voda giblje v obliki pare ali tekočine proti površini [44]. Sušenje se zaključi, ko je dosežena točka nasičenosti celičnih sten. Tedaj je vlažnost lesa povsod enaka [47]. Od gibanja vode je odvisno, kako hitro se les suši [44]. Proces sušenja traja več časa za

(37)

29

debelejši kos lesa ter je 15-krat hitrejše vzdolž vlaken, kot pravokotno na vlakna [47]. Na hitrost sušenja vplivajo še drugi dejavniki [45,47]:

-Temperatura: Višja kot je temperatura okoliškega zraka, večja je hitrost sušenja pri konstantni relativni vlažnosti in kroženju zraka, saj toplejši zrak lahko zadrži več vlage.

-Relativna vlažnost zraka: Manjša kot je relativna vlažnost, večja je hitrost sušenja ob konstantni temperaturi ter kroženju zraka, saj voda izhlapi hitreje, če je okoliški zrak suh.

-Kroženje zraka: Večja kot je hitrost kroženja zraka nad površino sušečega se lesa, večja je tudi hitrost sušenja ob konstantni temperaturi ter relativni vlažnosti.

Gibanje vode v lesu

Posledica sušilnih procesov je gibanje vode skozi strukturo lesa. Gibanje poteka kot masni tok proste ali kapilarne vode in kot difuzijski transport vezane vode in pare. Difuzija vezane vode sestoji iz difuzije vezane vode skozi celične stene in difuzije pare skozi porozno strukturo (celične lumne) (Slika 18) [43].

Slika 18: Pretok vode v lesu med sušenjem [43].

Masni tok vode v lesu

Les je heterokapilaren sistem, ki ga tvorijo celični lumni in piknje, oziroma odprtine v pikenjskih membranah. Porozna prostorska struktura lesa s sklenjenimi medsebojnimi povezavami omogoča učinkovito prevajanje tekoče vode [43,44].