Piezoelectricity as a fundamental property of wood

Summary

The piezoelectric effect in wood, i.e. the occurrence of electric polarization under mechanical stress and also of mechanical strain in an electric field, was accounted for by considering the uniaxial orientation of cellulose crystallites in fibers and their monoclinic symmetry. A shear stress in one plane, including the grain direction, produced electrical polarization perpendicular to it. The value of the piezoelectric modulus for wood was approximately one twentieth of that of a quartz crystal.

The chemical treatments which transform the lattice structure from cellulose I to II or III, increased the piezoelectric modulus. However, gamma-ray irradiation up to a dose sufficiently high to decrease the molecular weight had only little influence on the piezoelectric modulus.

The variation with temperature of the phase angle between sinusoidal stress and polarization showed a maximum of advanced phase around room temperature and a maximum of delayed phase at about-100°C. Dielectric and viscoelastic measurements indicated that the former was caused by the dielectric loss due to water at a temperature above freezing and the latter by the viscoelastic loss due to local vibrations of cellulose molecules.

The piezoelectric polarization in wood can be utilized in technical problems such as the measurement of shock velocity in timber. The physiological meaning of the piezoelectrical effect in plants has not been investigated.

Zusammenfassung

Der piezoelektrische Effekt in Holz, d. h. das Auftreten einer elektrischen Polarisation unter mechanischer Spannung und ebenso das Auftreten mechanischer Verformungen in einem elektrischen Feld wird als Folgeerscheinung der einachsigen Orientierung der Cellulosekristallite in den Holzfasern und durch deren monokline Symmetrie erklärt. Es wurde beobachtet, daß eine Scherspannung in einer Ebene, welche in Faserrichtung liegt, eine elektrische Polarisation senkrecht dazu hervorruft. Die Größe des piezoelektrischen Moduls für Holz betrug etwa 1/20 des piezoelektrischen Moduls eines Quarzkristalls.

Chemische Behandlungen, welche die Gitterstruktur der Cellulose I in diejenige von Cellulose II und III umformen, erhöhen gleichzeitig den piezoelektrischen Modul. Dagegen zeigte eine Behandlung mit ψ-Strahlen selbst bis zu einer Dosisleistung, die ausreichte, um das Molekulargewicht zu erniedrigen, nur geringen Einfluß auf den piezoelektrischen Modul.

Die Temperaturabhängigkeit des Phasenwinkels zwischen einer S-förmig verlaufenden Spannung und der Polarisation zeigt ein Maximum der vorauseilenden Phase etwa bei Raumtemperatur und ein Maximum der nachlaufenden Phase bei etwa-100°C. Dielektrische und viskoelastische Messungen ließen erkennen, daß die Dielektrizität auf Grund dielektrischer Verluste von Wasser über 0°C zustande kommt und daß die Viskoelastizität durch viskoelastische Verluste auf Grund örtlicher Schwingungen von Cellulosemolekülen entsteht.

Die piezoelektrische Polarisation bei Holz kann für die Lösung technischer Probleme, wie z. B. bei der Messung der Schallgeschwindigkeit in Holz praktisch eingesetzt werden. Die physiologische Bedeutung des piezoelektrischen Effekts in lebenden Pflanzen ist bisher noch unbekannt.