【教學(xué)課件】第八章農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性

1、1,第八章 農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性,教學(xué)內(nèi)容： 基本概念 農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性及 其測(cè)定 在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用,2,8-1 基本概念,教學(xué)內(nèi)容： 一、電阻和電導(dǎo) 二、介電特性 三、靜電特性 四、生物電,3,近年來(lái)，農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性在農(nóng)業(yè)工程和食品工程中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。從廣義上說(shuō)，農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性可分為二類： 一類是在物料內(nèi)部存在某種能量而產(chǎn)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(chǎng)及電流分布的一些特性，例如電阻、電導(dǎo)、介電特性等。 本章只討論后一類電學(xué)特性。,4,一、電阻和電導(dǎo) 1.電阻和電阻率 電路的歐姆定律指出，導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度I 與其兩端的電位差V成正比

2、，即 V=IR ，這里R為導(dǎo)體的電阻。電阻R可由下式確定：,式中 R 電阻（）；L 導(dǎo)體長(zhǎng)度（ m ）； A 導(dǎo)體橫截面積（m2）； 導(dǎo)體的電阻率（m ）。,5,電阻率是用來(lái)比較各種物質(zhì)相對(duì)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(nèi)的電子數(shù)； t 兩次碰撞間的電子平均自由飛行時(shí)間（ s ）； m 電子質(zhì)量。,6,由以上兩式可知，電阻R是與導(dǎo)體尺寸有關(guān)的量，而電阻率是與導(dǎo)體尺寸無(wú)關(guān)的量。因此，電阻率是表征導(dǎo)體性質(zhì)的一個(gè)物理量。 農(nóng)業(yè)物料的電阻率不僅與物料性質(zhì)有關(guān)，而且還與含水率和溫度有關(guān)。溫度升高引起電子間頻繁的碰撞，導(dǎo)致碰撞時(shí)間

3、縮短，從而使電阻率增大。 電阻率與物料內(nèi)的自由電子數(shù)成反比。由于金屬在單位體積內(nèi)的電子數(shù)遠(yuǎn)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(gè)極湍情況，由于真空中不存在自由電子，其電阻率為無(wú)限大。具有低電阻率的金屬材料，在溫度一定時(shí)電阻率不變，而氣體、非金屬材料和半導(dǎo)體則不是這樣。,7,2. 電導(dǎo)和電導(dǎo)率 電導(dǎo)是描述物體傳導(dǎo)電流性性能的物理量，記作G 。物體的電導(dǎo)是指該物體所通過(guò)電流與該物體所加電壓的比值。對(duì)于直流電路而言，這個(gè)數(shù)值就是電阻的倒數(shù)，其單位為 S。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，記為,其單位為 S/m 。電導(dǎo)和電導(dǎo)率的差別在于前者是對(duì)具體物體而言，因此它除了與物質(zhì)性 能有關(guān)外，還與

4、該物體的大小、形狀與導(dǎo)電時(shí)的端點(diǎn)位置有關(guān)，而電導(dǎo)率則僅與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。,8,介電常數(shù)是描述物料電特性的一個(gè)重要參數(shù)，在交流電場(chǎng)中它們與電導(dǎo)率有如下關(guān)系:,9,電阻率及電導(dǎo)率在確定農(nóng)業(yè)物料及食品的含水率和其它物理化學(xué)特性方面有著廣泛的應(yīng)用。由于生物物料電阻率很低，所以電阻率及電導(dǎo)率大部分局限于含水率測(cè)定上。 另外，對(duì)于某些高電阻率或低電導(dǎo)率的物料，由于是良好的電介質(zhì)，它們?cè)诩訜?，干燥、水分測(cè)定和質(zhì)量檢測(cè)與控制方面獲得了廣泛應(yīng)用。,10,二、介電特性 1.電介質(zhì)的極化和介電常數(shù) 按導(dǎo)電性質(zhì)的不同，物體可分為導(dǎo)體和非導(dǎo)體（電介質(zhì)）。導(dǎo)體可分為兩類，一類導(dǎo)體是電子導(dǎo)體，如金屬，它是由自由電子運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)

5、電的；另一類是離子導(dǎo)體，如電解質(zhì)，它是依靠離子定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電。 電介質(zhì)其分子中的電子受到很大束縛力，致使電子不能自由移動(dòng)，故電介質(zhì)在一般情況下是不導(dǎo)電的?？諝狻⒉Ａ?，橡膠及很多有機(jī)物都是良好的電介質(zhì)，一些農(nóng)業(yè)物料在某種程度上也屬于電介質(zhì)。,11,電介質(zhì)極化：,無(wú)電場(chǎng)時(shí),12,通常所指的介電特性主要有三項(xiàng)，即相對(duì)介電常數(shù) ，相對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù) 和介質(zhì)損耗角正切 tg，它們之間關(guān)系可用下式表示：,13,電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可定義為：,式中 C以某種材料為介質(zhì)時(shí)的電容器的電容； C0 以真空為介質(zhì)時(shí)的電容器的電容。,相對(duì)介電常數(shù) 是物料實(shí)際介電常數(shù)和真空介電常數(shù)0 的比值，是一個(gè)無(wú)量綱的量，可寫成：,

6、真空的介電常數(shù)0 為 8.8510-14Fcm 。,14,介電常數(shù)是表示物料可能貯存的電場(chǎng)能量，它應(yīng)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(shí)的水為 80 ，對(duì)于一定的混合物具值甚至更高。,15,16,電導(dǎo)率隨溫度的變化,17,2.介質(zhì)損耗 將平板電容器兩極板間充以電介質(zhì)，在高頻電場(chǎng)作用下電介質(zhì)將被極化，有極分子在電場(chǎng)中不斷地作取向運(yùn)動(dòng)，分子間發(fā)生碰撞和摩擦將消耗電能并轉(zhuǎn)為熱能，使得介質(zhì)發(fā)熱。這種因介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)熱而消牦的能量稱為介質(zhì)損耗。 在交變電場(chǎng)中介質(zhì)放出的熱能，隨交變頻率的提高及電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增多。 此外，介質(zhì)損耗還和介質(zhì)的介電特性有關(guān)。,18,電介質(zhì)在

7、交流電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)不變的情況下，吸收能量是和頻率成正比的。因此，在電介質(zhì)加熱應(yīng)用中一般部是在高頻下進(jìn)行的。,19,三、靜電特性 靜電特性的研究是以庫(kù)倉(cāng)定律為基礎(chǔ)的。按此定律，相距為 r 的兩個(gè)點(diǎn)電荷 q1 和q2 之間的相互作用力為：,式中K為比例常數(shù)，其值決定于各量所選的單位。在國(guó)際單位制中， K=1/(4 0 )=9 109Nm2/C2 ，0 為真空中介電常數(shù)。,20,在靜電場(chǎng)中，單位點(diǎn)電荷所受的力是表征該電場(chǎng)中給定點(diǎn)的電場(chǎng)性質(zhì)

8、的物理量，稱為電場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)用平行金屬板電容器，將需要進(jìn)行分離的物料作為電介質(zhì)置于平板之間。這時(shí)，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(dāng)平行平板間裝有電介質(zhì)時(shí)電容器電容為:,式中 A 為每個(gè)板的面積， d 為板間距離。由于板間電場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，由 E=F/q1 得,故,22,四、生物電 生物體內(nèi)電位的存在是眾所周知的，許多禽畜在活細(xì)胞、組織和肌體的不同點(diǎn)之間均能測(cè)得電位差。應(yīng)激細(xì)胞膜電勢(shì)差還能在神經(jīng)和肌肉細(xì)胞表面產(chǎn)生一種自身傳播的電流。從受精蛋兩端也能測(cè)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(dòng)物如此，在植物中也發(fā)現(xiàn)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(yáng)光照射的明暗部位也有電位差，這種情況在切開(kāi)的馬鈴薯和番茄中也能發(fā)現(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)，植株受到機(jī)械、化學(xué)或熱流的刺激時(shí)，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(shì)而增加。,23,24,生物體的組織和細(xì)胞所進(jìn)行的生命活動(dòng)都伴隨電現(xiàn)象，產(chǎn)生一定的電位變化，通常把這種生物體內(nèi)的電現(xiàn)象稱為生物電。它反映了生命活動(dòng)中的一些物理化學(xué)變化，與生物體的新陳代謝有關(guān)。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(cè)點(diǎn)距離、受損時(shí)間有關(guān)

10、。 植物刺激電位差：受機(jī)械、物理、化學(xué)等刺激產(chǎn)生的電位差，與刺激強(qiáng)度有關(guān)。 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(shí)間、強(qiáng)度等有關(guān)。,應(yīng)用：雞蛋受精卵的檢測(cè) 種子發(fā)芽勢(shì)的檢測(cè) 心電圖、腦電圖等 生物發(fā)光、發(fā)電等,26,8-2 農(nóng)業(yè)物料電學(xué)學(xué)特性及其測(cè)定,教學(xué)內(nèi)容： 一、農(nóng)業(yè)物料介電特性及測(cè)定 二、農(nóng)業(yè)物料的其它電學(xué)物性 及測(cè)定,27,一、農(nóng)業(yè)物料介電特性及測(cè)定 農(nóng)業(yè)物料介電特性包括介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和介質(zhì)損耗角正切等。 這些特性對(duì)研究介質(zhì)加熱和干燥、預(yù)測(cè)物料在射頻電場(chǎng)中的性狀以及控制昆蟲(chóng)和含水率測(cè)定方面都有重要應(yīng)用。 1. 農(nóng)業(yè)物料介電特性測(cè)定 介電

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

12、算出試樣相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切。,30,農(nóng)業(yè)物料的介電特性受電場(chǎng)頻率、物料密度、含水率、環(huán)境溫濕度等的影響,電場(chǎng)頻率對(duì)介電特性的的影響,物料含水率、溫度較低時(shí)所得變化規(guī)律 含水率、溫度變化的影響不計(jì),含水率對(duì)介電特性的影響,物料中水分不同存在形式對(duì)能量吸收的影響 結(jié)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(jié)合水，吸收能量少，損耗因數(shù)變化小 溫度的影響 低于冷凍溫度時(shí)：介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)較小 高于冷凍溫度時(shí)：,吸濕性材料：T，”r ,非吸濕性材料：T,高頻，”r 微波，”r ,33,溫度對(duì)介電特性的的影響,（3GHz）,34,密度對(duì)介電特性的影響,35,農(nóng)業(yè)物料的介電

13、特性參數(shù),36,37,二、農(nóng)業(yè)物料的其它電學(xué)特性 可見(jiàn)光：波長(zhǎng)約為0.400.77m ；不可見(jiàn)光：波長(zhǎng)0.771000m 的紅外線電磁波，波長(zhǎng)0.390.04m 的紫外線電磁波。 1. 紅外線作用 （1）熱效應(yīng)和穿透能力；（2）散發(fā)水分而獲得均勻干燥；（3）殺蟲(chóng)滅菌；（4）近紅外的光譜分析法可以準(zhǔn)確快速地測(cè)定谷物、 飼料、 煙草等農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和主要成 分；（5）遠(yuǎn)紅外探測(cè)器可探測(cè)森林災(zāi)情、作物長(zhǎng)勢(shì)和預(yù)報(bào)病蟲(chóng)害等。,38,2. 紫外輻射（紫外光 ） （1）具有光激發(fā)光現(xiàn)象； （2）根據(jù)種子細(xì)胞和化學(xué)成不同，在紫外光照射下發(fā)不同色的光，檢驗(yàn)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(duì)動(dòng)、植物有較強(qiáng)的生化反應(yīng)；強(qiáng)度適當(dāng)?shù)恼丈淠艽偈咕S生素 D 的轉(zhuǎn)化；強(qiáng)度過(guò)大只用于對(duì)禽畜舍消毒和飲用水殺菌。,39,3. 微波 波長(zhǎng) 0.1 0.01 m ，更接近 于紅外線波；特點(diǎn)：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(yīng)，有利于干燥。 微波熱特性表現(xiàn)為透 入物料內(nèi)都的能量會(huì)被物料 吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。應(yīng)用： （1）加熱干燥； （2）殺滅食品和谷物的有害微生物； （3）恰當(dāng)?shù)膭┝肯拢杉せ罴?xì)胞，處理種子時(shí)會(huì)增加發(fā)芽率。,40,4.射線 和放射性同位素波長(zhǎng)比紫外線還短，穿透力也強(qiáng)。射線 穿過(guò)農(nóng)業(yè)生物有機(jī)體時(shí)，會(huì)使其中的水和其它物質(zhì)電離

15、，生成游離基或離子，從而影響到有機(jī)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(kāi)傘。應(yīng)用： （1）誘變育種。 （2）殺菌保鮮（），出口農(nóng)產(chǎn)品需經(jīng)射線殺菌處理。,41,8-3 在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用,教學(xué)內(nèi)容： 一、含水率測(cè)定 二、介質(zhì)的加熱和干燥 三、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的控制 四、種子的電處理,42,一、含水率測(cè)定 利用電特性測(cè)定物料的含水率已沿用多年，這些電特性是指電導(dǎo)率、電容，微波損耗和介電特性等。 利用電導(dǎo)率測(cè)定含水率，簡(jiǎn)便靈敏，比較常用。測(cè)試原理如圖所示，其電路中含有兩個(gè)惠斯登電橋。,43,利用電特性測(cè)定農(nóng)業(yè)物料含水率是基于水的介電常數(shù)高達(dá) 80

16、，而農(nóng)業(yè)物料其它成分的介電常數(shù)則低得多。例如，碳水化合物的介電常數(shù)為 3-5 ；蛋自質(zhì)為 4-6 ，脂防為 2-5。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究已找出一些物料的含水率和介電常數(shù)的關(guān)系。下圖為一種利用介電常數(shù)測(cè)定含水率的實(shí)驗(yàn)裝置，可用于測(cè)定胡蘿卜之類蔬菜含水率的測(cè)定。,44,水分與許多電特性有較好的線性關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系已研制了電阻式、電容式、電感式和介電式等水分測(cè)定儀。,45,二、介質(zhì)的加熱和干燥 利用介質(zhì)損耗原理，可對(duì)食品和農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行加熱和烘干。按頻率不同可分為調(diào)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(zhì)加熱時(shí)能量由物料自身析

17、出，物料本身是熱源。固此介質(zhì)加熱時(shí)物料內(nèi)部和外部同時(shí)生熱，干燥過(guò)程在物料內(nèi)部和外部同時(shí)進(jìn)行，由于熱量向周圍空氣擴(kuò)散，物料表面溫度甚至比物料內(nèi)都還低，不會(huì)產(chǎn)生表面過(guò)熱現(xiàn)象。加熱均勻而快速是介質(zhì)加熱的顯著優(yōu)點(diǎn)。,46,下圖為微波爐的加熱系統(tǒng)、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(dòng)裝置等組成。,47,三、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的控制 電特性可用于評(píng)定食品和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。例如，測(cè)定干燥后玉米粒的熱損傷、凍傷種子的成活力；測(cè)定植物體的機(jī)械損傷程度及抗霜凍能力；測(cè)定蛋類質(zhì)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(dǎo)率可檢測(cè)植物的抗冷凍能力。

18、利用電特性可測(cè)定棉花纖維長(zhǎng)度的分布情況。,48,49,50,四、種子的電處理-選種(農(nóng)業(yè)物料分離) 電處理是指為了一定目的對(duì)物料施以電能的過(guò)程。谷物及種子的電處理包括對(duì)害蟲(chóng)的控制、改善發(fā)芽能力以及種子分選等。其中介質(zhì)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(jìn)入，從而減緩了發(fā)芽過(guò)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(huì)使種子產(chǎn)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(dǎo)電輸送帶、 25kV 及 90 A 的直流電源、雙向射束電極、調(diào)節(jié)隔板及收集