第八章-農業(yè)物料的電學特性

1、1,第八章 農業(yè)物料的電學特性,教學內容： 基本概念 農業(yè)物料的電學特性及 其測定 在農業(yè)工程中的應用,2,8-1 基本概念,教學內容： 一、電阻和電導 二、介電特性 三、靜電特性 四、生物電,3,近年來，農業(yè)物料的電學特性在農業(yè)工程和食品工程中獲得了日益廣泛的應用。從廣義上說，農業(yè)物料的電學特性可分為二類： 一類是在物料內部存在某種能量而產生電位差，例如生物物料中的生物電位差； 另一類是指影響物料所在空間的電滋場及電流分布的一些特性，例如電阻、電導、介電特性等。 本章只討論后一類電學特性。,4,一、電阻和電導 1.電阻和電阻率 電路的歐姆定律指出，導體內的電流強度I 與其兩端的電位差V成正比

2、，即 V=IR ，這里R為導體的電阻。電阻R可由下式確定：,式中 R 電阻（）；L 導體長度（ m ）； A 導體橫截面積（m2）； 導體的電阻率（m ）。,5,電阻率是用來比較各種物質相對的電阻大小的量，又稱比電阻?？捎孟率郊右远x:,式中 電阻率（m ）； e 電荷（ C ）； N 單位體積內的電子數； t 兩次碰撞間的電子平均自由飛行時間（ s ）； m 電子質量。,6,由以上兩式可知，電阻R是與導體尺寸有關的量，而電阻率是與導體尺寸無關的量。因此，電阻率是表征導體性質的一個物理量。 農業(yè)物料的電阻率不僅與物料性質有關，而且還與含水率和溫度有關。溫度升高引起電子間頻繁的碰撞，導致碰撞時間

3、縮短，從而使電阻率增大。 電阻率與物料內的自由電子數成反比。由于金屬在單位體積內的電子數遠比非金屬材料多，因此金屬電阻率比非金屬材料低得多。真空是一個極湍情況，由于真空中不存在自由電子，其電阻率為無限大。具有低電阻率的金屬材料，在溫度一定時電阻率不變，而氣體、非金屬材料和半導體則不是這樣。,7,2. 電導和電導率 電導是描述物體傳導電流性性能的物理量，記作G 。物體的電導是指該物體所通過電流與該物體所加電壓的比值。對于直流電路而言，這個數值就是電阻的倒數，其單位為 S。電導率是電阻率的倒數，記為,其單位為 S/m 。電導和電導率的差別在于前者是對具體物體而言，因此它除了與物質性 能有關外，還與

4、該物體的大小、形狀與導電時的端點位置有關，而電導率則僅與物質的性質有關。,8,介電常數是描述物料電特性的一個重要參數，在交流電場中它們與電導率有如下關系:,9,電阻率及電導率在確定農業(yè)物料及食品的含水率和其它物理化學特性方面有著廣泛的應用。由于生物物料電阻率很低，所以電阻率及電導率大部分局限于含水率測定上。 另外，對于某些高電阻率或低電導率的物料，由于是良好的電介質，它們在加熱，干燥、水分測定和質量檢測與控制方面獲得了廣泛應用。,10,二、介電特性 1.電介質的極化和介電常數 按導電性質的不同，物體可分為導體和非導體（電介質）。導體可分為兩類，一類導體是電子導體，如金屬，它是由自由電子運動而導

5、電的；另一類是離子導體，如電解質，它是依靠離子定向運動而導電。 電介質其分子中的電子受到很大束縛力，致使電子不能自由移動，故電介質在一般情況下是不導電的?？諝?、玻璃，橡膠及很多有機物都是良好的電介質，一些農業(yè)物料在某種程度上也屬于電介質。,11,電介質極化：,無電場時,12,通常所指的介電特性主要有三項，即相對介電常數 ，相對介質損耗因數 和介質損耗角正切 tg，它們之間關系可用下式表示：,13,電介質的相對介電常數可定義為：,式中 C以某種材料為介質時的電容器的電容； C0 以真空為介質時的電容器的電容。,相對介電常數 是物料實際介電常數和真空介電常數0 的比值，是一個無量綱的量，可寫成：,

6、真空的介電常數0 為 8.8510-14Fcm 。,14,介電常數是表示物料可能貯存的電場能量，它應映該物料提高電容器電容量的能力。其值變化范圍很大，空氣為1 ，20時的水為 80 ，對于一定的混合物具值甚至更高。,15,16,電導率隨溫度的變化,17,2.介質損耗 將平板電容器兩極板間充以電介質，在高頻電場作用下電介質將被極化，有極分子在電場中不斷地作取向運動，分子間發(fā)生碰撞和摩擦將消耗電能并轉為熱能，使得介質發(fā)熱。這種因介質在電場作用下發(fā)熱而消牦的能量稱為介質損耗。 在交變電場中介質放出的熱能，隨交變頻率的提高及電場強度的增強而增多。 此外，介質損耗還和介質的介電特性有關。,18,電介質在

7、交流電場中吸收的電能為：,P吸收能量（W） V有效電壓（V） I有效電流（A） C電容（F） A電容器平板面積（cm2） d電容器平板間距（cm）,損耗角,相位角,由上式可知，在場強不變的情況下，吸收能量是和頻率成正比的。因此，在電介質加熱應用中一般部是在高頻下進行的。,19,三、靜電特性 靜電特性的研究是以庫倉定律為基礎的。按此定律，相距為 r 的兩個點電荷 q1 和q2 之間的相互作用力為：,式中K為比例常數，其值決定于各量所選的單位。在國際單位制中， K=1/(4 0 )=9 109Nm2/C2 ，0 為真空中介電常數。,20,在靜電場中，單位點電荷所受的力是表征該電場中給定點的電場性質

8、的物理量，稱為電場強度。,物料表面保持電荷能力的不同是靜電分離的基本原理。在靜電分離中，應用平行金屬板電容器，將需要進行分離的物料作為電介質置于平板之間。這時，在任一平板上的電荷量q 都是該電容器電容 C 與平板間電位差 V 的乘積，即,21,當平行平板間裝有電介質時電容器電容為:,式中 A 為每個板的面積， d 為板間距離。由于板間電場強度是均勻的，由 E=F/q1 得,故,22,四、生物電 生物體內電位的存在是眾所周知的，許多禽畜在活細胞、組織和肌體的不同點之間均能測得電位差。應激細胞膜電勢差還能在神經和肌肉細胞表面產生一種自身傳播的電流。從受精蛋兩端也能測出電位差，而且電位差1520mV

9、的將是雄性， 37mV 的則是雌性。不僅動物如此，在植物中也發(fā)現有生物電，發(fā)芽期間種子胚芽和其他部位間就有電位差，光合作用中陽光照射的明暗部位也有電位差，這種情況在切開的馬鈴薯和番茄中也能發(fā)現。經試驗，植株受到機械、化學或熱流的刺激時，在受傷和完整的部位間存有電位差，而且電位差值還隨傷勢而增加。,23,24,生物體的組織和細胞所進行的生命活動都伴隨電現象，產生一定的電位變化，通常把這種生物體內的電現象稱為生物電。它反映了生命活動中的一些物理化學變化，與生物體的新陳代謝有關。一旦生命停止，生物電也即消失。,25,植物損傷電位差：正常部位與損傷部位間存在電位差，電位差大小與檢測點距離、受損時間有關

10、。 植物刺激電位差：受機械、物理、化學等刺激產生的電位差，與刺激強度有關。 植物光照電位差：光照部位與未光照部位間、葉綠素含量不同部位間存在電位差，與光照時間、強度等有關。,應用：雞蛋受精卵的檢測 種子發(fā)芽勢的檢測 心電圖、腦電圖等 生物發(fā)光、發(fā)電等,26,8-2 農業(yè)物料電學學特性及其測定,教學內容： 一、農業(yè)物料介電特性及測定 二、農業(yè)物料的其它電學物性 及測定,27,一、農業(yè)物料介電特性及測定 農業(yè)物料介電特性包括介電常數、介質損耗因數和介質損耗角正切等。 這些特性對研究介質加熱和干燥、預測物料在射頻電場中的性狀以及控制昆蟲和含水率測定方面都有重要應用。 1. 農業(yè)物料介電特性測定 介電

11、特性有多種測定方法。 當頻率范圍為 1-107Hz 時可用西林電橋法，當頻率范圍為 104 一 108Hz 時可用諧振回路法，當頻率范囤為 108-1011Hz 時可用駐波法，當頻率范圍為 1011 一 1017Hz 時可采用行波怯。下面簡單介紹諧振法和電橋法測定原理。,28,(1) 諧振法 諧振法可用 Q 表來惻定。 Q 表是一個由可調頻率的振蕩器激勵一個 RLC 電路，如圖所示。,29,(2) 電橋法 電橋法是在低頻下測量物料介電系數的介質損耗正切的主要方法。它的測量原理是把被測試樣作為一個橋臂，其它三個橋臂的阻抗是已知的，調節(jié)電橋達到平衡。根據平衡條件求出試樣的并聯等值電容和電阻，從而計

12、算出試樣相對介電常數和損耗角正切。,30,農業(yè)物料的介電特性受電場頻率、物料密度、含水率、環(huán)境溫濕度等的影響,電場頻率對介電特性的的影響,物料含水率、溫度較低時所得變化規(guī)律 含水率、溫度變化的影響不計,含水率對介電特性的影響,物料中水分不同存在形式對能量吸收的影響 結合水：吸收能量少 自由水：吸收能量多 含水率低，物料中水分多為結合水，吸收能量少，損耗因數變化小 溫度的影響 低于冷凍溫度時：介電常數、介質損耗因數較小 高于冷凍溫度時：,吸濕性材料：T，”r ,非吸濕性材料：T,高頻，”r 微波，”r ,33,溫度對介電特性的的影響,（3GHz）,34,密度對介電特性的影響,35,農業(yè)物料的介電

13、特性參數,36,37,二、農業(yè)物料的其它電學特性 可見光：波長約為0.400.77m ；不可見光：波長0.771000m 的紅外線電磁波，波長0.390.04m 的紫外線電磁波。 1. 紅外線作用 （1）熱效應和穿透能力；（2）散發(fā)水分而獲得均勻干燥；（3）殺蟲滅菌；（4）近紅外的光譜分析法可以準確快速地測定谷物、 飼料、 煙草等農產品的品質和主要成 分；（5）遠紅外探測器可探測森林災情、作物長勢和預報病蟲害等。,38,2. 紫外輻射（紫外光 ） （1）具有光激發(fā)光現象； （2）根據種子細胞和化學成不同，在紫外光照射下發(fā)不同色的光，檢驗外觀相同的種子純度， （3）剔除受霉菌（包括五米黃曲霉素）

14、感染的谷物； （4）紫外輻射對動、植物有較強的生化反應；強度適當的照射能促使維生素 D 的轉化；強度過大只用于對禽畜舍消毒和飲用水殺菌。,39,3. 微波 波長 0.1 0.01 m ，更接近 于紅外線波；特點：反射、折射、散射和吸收作用比短波顯著，主要是利用 其輻射的熱特性和生物效應，有利于干燥。 微波熱特性表現為透 入物料內都的能量會被物料 吸收而轉化為熱能。應用： （1）加熱干燥； （2）殺滅食品和谷物的有害微生物； （3）恰當的劑量下，可激活細胞，處理種子時會增加發(fā)芽率。,40,4.射線 和放射性同位素波長比紫外線還短，穿透力也強。射線 穿過農業(yè)生物有機體時，會使其中的水和其它物質電離

15、，生成游離基或離子，從而影響到有機體的新陳代謝。用射線輻射處理可推遲果菜的完熟期，抑制塊根、塊莖和鱗莖的發(fā)芽和延緩蘑菇的破膜開傘。應用： （1）誘變育種。 （2）殺菌保鮮（），出口農產品需經射線殺菌處理。,41,8-3 在農業(yè)工程中的應用,教學內容： 一、含水率測定 二、介質的加熱和干燥 三、農產品質量評定的控制 四、種子的電處理,42,一、含水率測定 利用電特性測定物料的含水率已沿用多年，這些電特性是指電導率、電容，微波損耗和介電特性等。 利用電導率測定含水率，簡便靈敏，比較常用。測試原理如圖所示，其電路中含有兩個惠斯登電橋。,43,利用電特性測定農業(yè)物料含水率是基于水的介電常數高達 80

16、，而農業(yè)物料其它成分的介電常數則低得多。例如，碳水化合物的介電常數為 3-5 ；蛋自質為 4-6 ，脂防為 2-5。 通過實驗研究已找出一些物料的含水率和介電常數的關系。下圖為一種利用介電常數測定含水率的實驗裝置，可用于測定胡蘿卜之類蔬菜含水率的測定。,44,水分與許多電特性有較好的線性關系，根據這些關系已研制了電阻式、電容式、電感式和介電式等水分測定儀。,45,二、介質的加熱和干燥 利用介質損耗原理，可對食品和農產品進行加熱和烘干。按頻率不同可分為調頻加熱和超高頻加熱兩種。高頻加熱的頻率力 1-150MHZ ，超高頻（微波）加熱的頻率為 915-2450MHz 。 介質加熱時能量由物料自身析

17、出，物料本身是熱源。固此介質加熱時物料內部和外部同時生熱，干燥過程在物料內部和外部同時進行，由于熱量向周圍空氣擴散，物料表面溫度甚至比物料內都還低，不會產生表面過熱現象。加熱均勻而快速是介質加熱的顯著優(yōu)點。,46,下圖為微波爐的加熱系統、它由密封箱體，帶有變壓器的能源，微波發(fā)生器或磁控管、傳輸部分和攪動裝置等組成。,47,三、農產品質量評定的控制 電特性可用于評定食品和農產品的品質。例如，測定干燥后玉米粒的熱損傷、凍傷種子的成活力；測定植物體的機械損傷程度及抗霜凍能力；測定蛋類質量及魚的新鮮程度等。 利用電容及直流電阻可估量玉米粒的受熱損傷的程度。 利用電阻抗及電導率可檢測植物的抗冷凍能力。

18、利用電特性可測定棉花纖維長度的分布情況。,48,49,50,四、種子的電處理-選種(農業(yè)物料分離) 電處理是指為了一定目的對物料施以電能的過程。谷物及種子的電處理包括對害蟲的控制、改善發(fā)芽能力以及種子分選等。其中介質加熱，特別是射頻下加熱可使種子麥芽能力明顯提高。由于加熱均勻，受到廣泛注意。 在一些小豆類種子中大多混有一種硬皮種子，它有一層不透水的外皮，阻止水分進入，從而減緩了發(fā)芽過程，不能與正常種子一起發(fā)芽。采用電加熱處理可使硬皮種子明顯減少，正常子苗明顯增加。由于電加熱快速且均勻，不會使種子產生損傷。,51,利用靜電原理可以分離和清選種子。下圖所示一種種子靜電分選裝置。它由料斗、 導電輸送帶、 25kV 及 90 A 的直流電源、雙向射束電極、調節(jié)隔板及收集