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：根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1§8-1根本概念教学内容：一、电阻和电导二、介电特性三、静电特性四、生物电2

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：

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。3一、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：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〕。4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: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。5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那么不是这样。62.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，记为其单位为S/m。电导和电导率的差异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，而电导率那么仅与物质的性质有关。7

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:8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局部局限于含水率测定上。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，枯燥、水分测定和质量检测与控制方面获得了广泛应用。9二、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。10电介质极化：有极分子：转向极化无极分子：位移极化偶极子转动+

+

+

+

+

无电场时有电场时

+

+

+

+无电场时

有电场时

+

+

+

+

+

+11通常所指的介电特性主要有三项，即相对介电常数

，相对介质损耗因数

和介质损耗角正切tgδ，它们之间关系可用下式表示：12电介质的相对介电常数可定义为：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

是物料实际介电常数ε和真空介电常数ε0的比值，是一个无量纲的量，可写成：真空的介电常数ε0为8.85×10-14F／cm。13

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。1415电导率随温度的变化162.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。

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。17电介质在交流电场中吸收的电能为：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。18三、静电特性静电特性的研究是以库仓定律为根底的。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：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/(4πε0)=9×109Nm2/C2，ε0为真空中介电常数。19

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。物料外表保持电荷能力的不同是静电别离的根本原理。在静电别离中，应用平行金属板电容器，将需要进行别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20当平行平板间装有电介质时电容器电容为:

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得故212223

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。24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25§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26一、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枯燥、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。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108-1011Hz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(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鼓励一个RLC电路，如下图。28(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的，调节电桥到达平衡。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。29

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30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含水率对介电特性的影响31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↓32温度对介电特性的的影响（3GHz）33密度对介电特性的影响34农业物料的介电特性参数3536二、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。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枯燥；〔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。372.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响；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。383.微波波长0.1～0.01m，更接近于红外线波；特点：反射、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，有利于枯燥。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：〔1〕加热枯燥；〔2〕杀灭食品和谷物的有害微生物；〔3〕恰当的剂量下，可激活细胞，处理种子时会增加发芽率。394.γ射线和放射性同位素波长比紫外线还短，穿透力也强。γ射线穿过农业生物有机体时，会使其中的水和其它物质电离，生成游离基或离子，从而影响到有机体的新陈代谢。用γ射线辐射处理可推迟果菜的完熟期，抑制块根、块茎和鳞茎的发芽和延缓蘑菇的破膜开伞。应用：〔1〕诱变育种。〔2〕杀菌保鲜〔γ〕，出口农产品需经γ射线杀菌处理。40§8-3

在农业工程中的应用教学内容：一、含水率测定二、介质的加热和枯燥三、农产品质量评定的控制四、种子的电处理41一、含水率测定利用电特性测定物料的含水率已沿用多年，这些电特性是指电导率、电容，微波损耗和介电特性等。利用电导率测定含水率，简便灵敏，比较常用。测试原理如下图，其电路中含有两个惠斯登电桥。42利用电特性测定农业物料含水率是基于水的介电常数高达80，而农业物料其它成分的介电常数那么低得多。例如，碳水化合物的介电常数为3-5；蛋自质为4-6，脂防为2-5。通过实验研究已找出一些物料的含水率和介电常数的关系。以下图为一种利用介电常数测定含水率的实验装置，可用于测定胡萝卜之类蔬菜含水率的测定。43水分与许多电特性有较好的线性关系，根据这些关系已研制了电阻式、电容式、电感式和介电式等水分测定仪。44二、介质的加热和枯燥利用介质损耗原理，可对食品和农产品进行加热和烘干。按频率不同可分为调频加热和超高频加热两种。高频加热的频率力1-150MHZ，超高频〔微波〕加热的频率为915-2450MHz。介质加热时能量由物料自身析出，物料本身是热源。固此介质加热时物料内部和外部同时生热，枯燥过程在物料内部和外部同时进行，由于热量向周围空气扩散，物料外表温度甚至比物料内都还低，不会产生外表过热现象。加热均匀而快速是介质加热的显著优点。45以下图为微波炉的加热系统、它由密封箱体，带有变压器的能源，微波发生器或磁控管、传输局部和搅动装置等组成。46三、农产品质量评定的控制电特性可用于评定食品和农产品的品质。例如，测定枯燥后玉米粒的热损伤、冻伤种子的成活力；测定植物体的机械损伤程度及抗霜冻能力；测定蛋类质量及鱼的新鲜程度等。利用电容及直流电阻可估量玉米粒的受热损伤的程度。利用电阻抗及电导率可检测植物的抗冷冻能力。利用电特性可测定棉花纤维长度的分布情况。474849四、种子的电处理-选种(农业物料别离)电处理是指为了一定目的对物料施以电能的过程。谷物及种子的电处理包括对害虫的控制、改善发芽能力以及种子分选等。其中介质加热，特别是射频下加热可使种子麦芽能力明显提高。由于加热均匀，受到广泛注意。