第八章 农业物料的电学特性

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• 含水率低,物料中水分多为结 合水,吸收能量少,损耗因数 变化小
• 温度的影响
• 低于冷冻温度时:介电常数、 介质损耗因数较小
• 高于冷冻温度时:
吸湿性材料:T↑,ε”r ↑
非吸湿性材料:T↑
高频,ε”r ↑ 微波,ε”r ↓
第八章 农业物料的电学特性
温度对介电特性的的影响
(3GHz)
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第八章 农业物料的电学特性
在静电场中,单位点电荷所受的力是表征该电场中给定 点的电场性质的物理量,称为电场强度。
E F / q1 物料表面保持电荷能力的不同是静电分离的基本原理。 在静电分离中,应用平行金属板电容器,将需要进行分离 的物料作为电介质置于平板之间。这时,在任一平板上的 电荷量q 都是该电容器电容 C 与平板间电位差 V 的乘积, 即
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第八章 农业物料的电学特性
2. 电导和电导率
电导是描述物体传导电流性性能的物理量,记作G 。物 体的电导是指该物体所通过电流与该物体所加电压的比值。 对于直流电路而言,这个数值就是电阻的倒数,其单位为 S。电导率是电阻率的倒数,记为
1/ L / RA
其单位为 S/m 。电导和电导率的差别在于前者是对具 体物体而言,因此它除了与物质性 能有关外,还与该物 体的大小、形状与导电时的端点位置有关,而电导率则 仅与物质的性质有关。
一类是在物料内部存在某种能量而产生电位差,例如 生物物料中的生物电位差;
另一类是指影响物料所在空间的电滋场及电流分布的 一些特性,例如电阻、电导、介电特性等。
本章只讨论后一类电学特性。
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第八章 农业物料的电学特性
一、电阻和电导 1.电阻和电阻率 电路的欧姆定律指出,导体内的电流强度I
与其两端的电位差V成正比,即 V=IR ,这里R为 导体的电阻。电阻R可由下式确定:
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第八章 农业物料的电学特性
介电常数是描述物料电特性的一个重要参数,在交流电 场中它们与电导率有如下关系:
2f 0 0 55.6 10 12 f 0
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第八章 农业物料的电学特性
电阻率及电导率在确定农业物料及食品的含水率和其它 物理化学特性方面有着广泛的应用。由于生物物料电阻率 很低,所以电阻率及电导率大部分局限于含水率测定上。
折射、散射和吸收作用比短波显著,主要是利用 其辐射的 热特性和生物效应,有利于干燥。 微波热特性表现为透 入物料内都的能量会被物料 吸收而转化为热能。应用:
d
P—吸收能量(W) V—有效电压(V) I—有效电流(A) C—电容(F) A—电容器平板面积(cm2) d—电容器平板间距(cm)
损 耗 角
相位角
由上式可知,在场强不变的情况下,吸收能量是和频率
成正比的。因此,在电介质加热应用中一般部是在高频下进
行的。
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第八章 农业物料的电学源自文库性
三、静电特性
另外,对于某些高电阻率或低电导率的物料,由于是良 好的电介质,它们在加热,干燥、水分测定和质量检测与 控制方面获得了广泛应用。
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第八章 农业物料的电学特性
二、介电特性
1.电介质的极化和介电常数 按导电性质的不同,物体可分为导体和非导体(电介质)。 导体可分为两类,一类导体是电子导体,如金属,它是由自 由电子运动而导电的;另一类是离子导体,如电解质,它是 依靠离子定向运动而导电。 电介质其分子中的电子受到很大束缚力,致使电子不能自 由移动,故电介质在一般情况下是不导电的。空气、玻璃, 橡胶及很多有机物都是良好的电介质,一些农业物料在某种 程度上也属于电介质。
q CV
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当平行平板间装有电介质时电容器电容为:
C 0 r ( A / d )
式中 A 为每个板的面积, d 为板间距离。由于板间电场 强度是均匀的,由 E=F/q1 得
V Er Fr / q1

F Vq1 / r
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电导率随温度的变化
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2.介质损耗
将平板电容器两极板间充以电介质,在高 频电场作用下电介质将被极化,有极分子在电 场中不断地作取向运动,分子间发生碰撞和摩 擦将消耗电能并转为热能,使得介质发热。这 种因介质在电场作用下发热而消牦的能量称为 介质损耗。
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电介质极化: 偶极子转动
有极分子:转向极化 无极分子:位移极化
无电场时
E
有电场时

无电场时
E
有电场时
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通常所指的介电特性主要有三项,即相对介电常数 r ,相对
介质损耗因数 r 和介质损耗角正切 tgδ,它们之间关系可用
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第八章 农业物料的电学特性
由以上两式可知,电阻R是与导体尺寸有关的量,而电阻 率ρ是与导体尺寸无关的量。因此,电阻率是表征导体性质的 一个物理量。
农业物料的电阻率不仅与物料性质有关,而且还与含水率 和温度有关。温度升高引起电子间频繁的碰撞,导致碰撞时间 缩短,从而使电阻率增大。
电阻率与物料内的自由电子数成反比。由于金属在单位体 积内的电子数远比非金属材料多,因此金属电阻率比非金属材 料低得多。真空是一个极湍情况,由于真空中不存在自由电子, 其电阻率为无限大。具有低电阻率的金属材料,在温度一定时 电阻率不变,而气体、非金属材料和半导体则不是这样。
1. 红外线作用 (1)热效应和穿透能力;(2)散发水分而获得均匀
干燥;(3)杀虫灭菌;(4)近红外的光谱分析法可以准 确快速地测定谷物、 饲料、 烟草等农产品的品质和主要成 分;(5)远红外探测器可探测森林灾情、作物长势和预报 病虫害等。
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第八章 农业物料的电学特性
2. 紫外辐射(紫外光 ) (1)具有光激发光现象; (2)根据种子细胞和化学成不同,在紫外光照射下发
1. 农业物料介电特性测定 介电特性有多种测定方法。 当频率范围为 1-107Hz 时可用西林电桥法,当频率范 围为 104 一 108Hz 时可用谐振回路法,当频率范囤为 1081011Hz 时可用驻波法,当频率范围为 1011 一 1017Hz 时可采 用行波怯。下面简单介绍谐振法和电桥法测定原理。 27
第八章 农业物料的电学特性
(1) 谐振法 谐振法可用 Q 表来恻定。 Q 表是一个由可调频率的振
荡器激励一个 RLC 电路,如图所示。
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第八章 农业物料的电学特性
(2) 电桥法 电桥法是在低频下测量
物料介电系数的介质损耗正 切的主要方法。它的测量原 理是把被测试样作为一个桥 臂,其它三个桥臂的阻抗是 已知的,调节电桥达到平衡。 根据平衡条件求出试样的并 联等值电容和电阻,从而计 算出试样相对介电常数和损 耗角正切。
在交变电场中介质放出的热能,随交变频 率的提高及电场强度的增强而增多。
此外,介质损耗还和介质的介电特性有关。
E
E0
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第八章 农业物料的电学特性
电介质在交流电场中吸收的电能为:
P VI cos V V cos xc
2V 2 fC cos 2V 2 fA 0 r cos
的比值,是一个无量纲的量,可写成:
r 0
真空的介电常数ε0 为 8.85×10-14F/cm 。
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第八章 农业物料的电学特性
介电常数是表示物料可能贮存的电场能量,它应映该物料 提高电容器电容量的能力。其值变化范围很大,空气为1 , 20℃时的水为 80 ,对于一定的混合物具值甚至更高。
下式表示:

r
r

j r

r
e j
tg r / r
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电介质的相对介电常数可定义为:
r C / C0
式中 C—以某种材料为介质时的电容器的电容; C0 —以真空为介质时的电容器的电容。
相对介电常数 r 是物料实际介电常数ε和真空介电常数ε0
四、生物电
生物体内电位的存在是众所周知的,许多禽畜在活细 胞、组织和肌体的不同点之间均能测得电位差。应激细胞 膜电势差还能在神经和肌肉细胞表面产生一种自身传播的 电流。从受精蛋两端也能测出电位差,而且电位差15~ 20mV的将是雄性, 3~7mV 的则是雌性。不仅动物如此, 在植物中也发现有生物电,发芽期间种子胚芽和其他部位 间就有电位差,光合作用中阳光照射的明暗部位也有电位 差,这种情况在切开的马铃薯和番茄中也能发现。经试验, 植株受到机械、化学或热流的刺激时,在受伤和完整的部 位间存有电位差,而且电位差值还随伤势而增加。
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第八章 农业物料的电学特性
农业物料的介电特性受电场频率、物料密度、含水率、 环境温湿度等的影响
电场频率对介电特性的的影响
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含水率对介电 特性的影响
• 物料含水率、温度较 低时所得变化规律
• 含水率、温度变化的 影响不计
• 物料中水分不同存在形式对能量吸 收的影响
• 结合水:吸收能量少
• 自由水:吸收能量多
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第八章 农业物料的电学特性
§8-2 农业物料电学学特性及其测定
教学内容: 一、农业物料介电特性及测定 二、农业物料的其它电学物性
及测定
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第八章 农业物料的电学特性
一、农业物料介电特性及测定
农业物料介电特性包括介电常数、介质损耗因数和介 质损耗角正切等。
这些特性对研究介质加热和干燥、预测物料在射频电 场中的性状以及控制昆虫和含水率测定方面都有重要应用。
植物损伤电位差:正常部位与损伤部位间存在电位差,电 位差大小与检测点距离、受损时间有关。 植物刺激电位差:受机械、物理、化学等刺激产生的电位 差,与刺激强度有关。 植物光照电位差:光照部位与未光照部位间、叶绿素含量 不同部位间存在电位差,与光照时间、强度等有关。
应用:鸡蛋受精卵的检测 种子发芽势的检测 心电图、脑电图等 生物发光、发电等
R L / A
式中 R —— 电阻(Ω);L —— 导体长度( m ); A—— 导体横截面积(m2); ρ —— 导体的电阻率(Ω·m )。
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第八章 农业物料的电学特性
电阻率ρ是用来比较各种物质相对的电阻大小的量,又 称比电阻。可用下式加以定义:
m
e2 Nt
式中 ρ—— 电阻率(Ω·m ); e—— 电荷( C ); N —— 单位体积内的电子数; t —— 两次碰撞间的电子平均自由飞行时间( s ); m—— 电子质量。
不同色的光,检验外观相同的种子纯度, (3)剔除受霉菌(包括五米黄曲霉素)感染的谷物; (4)紫外辐射对动、植物有较强的生化反应;强度适
当的照射能促使维生素 D 的转化;强度过大只用于对禽畜 舍消毒和饮用水杀菌。
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第八章 农业物料的电学特性
3. 微波 波长 0.1 ~ 0.01 m ,更接近 于红外线波;特点:反射、
密度对介电特性 的影响
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农业物料的介电特性参数
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二、农业物料的其它电学特性
可见光:波长约为0.40~0.77μm ;不可见光:波长 0.77~1000μm 的红外线电磁波,波长0.39~0.04μm 的紫外 线电磁波。
第八章 农业物料的电学特性
第八章 农业物料的电学特性
教学内容: 基本概念 农业物料的电学特性及 其测定 在农业工程中的应用
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第八章 农业物料的电学特性
§8-1 基本概念
教学内容: 一、电阻和电导 二、介电特性 三、静电特性 四、生物电
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第八章 农业物料的电学特性
近年来,农业物料的电学特性在农业工程和食品工程 中获得了日益广泛的应用。从广义上说,农业物料的电 学特性可分为二类:
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第八章 农业物料的电学特性
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第八章 农业物料的电学特性
生物体的组织和细胞所进行的生命活动都伴随 电现象,产生一定的电位变化,通常把这种生物体 内的电现象称为生物电。它反映了生命活动中的一 些物理化学变化,与生物体的新陈代谢有关。一旦 生命停止,生物电也即消失。
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第八章 农业物料的电学特性
静电特性的研究是以库仓定律为基础的。按此定律,相 距为 r 的两个点电荷 q1 和q2 之间的相互作用力为:
F K (q1q2 / r 2 )
式中K为比例常数,其值决定于各量所选的单位。在国际单 位制中, K=1/(4 πε0 )=9 ×109Nm2/C2 ,ε0 为真空中介电常数。
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