微波頻率下水的介電特性的探討

一、概述水在人們?nèi)粘Ｉ钪惺且环N極其普通而又非常重要的資源,大家一刻也離不開它.工業(yè)生產(chǎn)中也是如此,尤其是在工業(yè)微波加熱應(yīng)用中,由于被加熱物料中都不同程度地含有一定的水份,因此人們希望了解水在微波頻率下的一些特性,即通常所說的介電特性.盡管近百年來(lái)各國(guó)科學(xué)家曾對(duì)水的介電特性進(jìn)行了大量的研究,得出了許多人們所期望的特性.但到目前為止,這一研究并未停止,說明尚有許多人們并不徹底了解的特性需要探索.這也是為什么每年都要召開一次”電磁波與水及含水物質(zhì)的相互作用”的國(guó)際會(huì)議的原因.今年五月在德國(guó)中部的維瑪城召開了由”國(guó)際電磁測(cè)水0c59f8ea

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/學(xué)會(huì){ISEMA}”組織的第六屆學(xué)術(shù)年會(huì).過去五年來(lái),每年輪流在世界各地召開,其中一屆選在亞州并在我國(guó)的臺(tái)灣省臺(tái)北市舉行.在這些會(huì)議中,與會(huì)學(xué)者涉及的研究題目及范圍有:不同束縛度下水的介電特性,水在生物組織中介質(zhì)馳豫特性,水與物質(zhì)混合的電磁規(guī)則和公式,測(cè)量固態(tài)和液態(tài)中含水量在時(shí)域和頻域中的電磁傳感器,農(nóng)產(chǎn)品中靜態(tài)和動(dòng)態(tài)含水量的確定,土壤,雪和垃圾中含水量的測(cè)定,???..等等,內(nèi)容非常廣泛.但其核心問題仍然是水的基本介電特性,以及水與物質(zhì)結(jié)合后的介電特性,這些特性在微波加熱過程中都是極其重要的.二.水分子的特點(diǎn)眾所周知，水是一種強(qiáng)極性分0c59f8ea

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/子，本身具有偶電距，水分子的直徑約為（1.9～2.3）×米，其分子間距與直徑相當(dāng)，因此液態(tài)水分子是一個(gè)緊挨著一個(gè)地排列著，有點(diǎn)像固態(tài)，但它卻無(wú)晶格結(jié)構(gòu)，分子本身在其平衡位置振動(dòng)外，又可緩慢移動(dòng)，因此是一種形狀不定的流體。在一摩爾體積內(nèi)約有

6.025×個(gè)分子。水的分子式為H2O,但其中兩個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子卻不在一條直線上，而相互間形成的夾角，正因?yàn)槿绱私Y(jié)構(gòu)，使其分子的正負(fù)極性分離，于是形成了微觀上的偶電距，因此是一種強(qiáng)極性物質(zhì)。由于它的極化馳豫時(shí)間正好與微波周期相近，因此對(duì)微波具有良好的吸收效應(yīng)，這種偶極子轉(zhuǎn)向極化正是微波損耗的物0c59f8ea

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/理基礎(chǔ)。

二、水的形態(tài)及存在形式水是一種最為常見的電介質(zhì)，在零度（攝氏）以上時(shí)為液態(tài)的流體，在零度及零下負(fù)溫度時(shí)變?yōu)楣虘B(tài)的冰。它與許多物質(zhì)可以結(jié)合，結(jié)合后可以以下述三種形式出現(xiàn)，即：1.自由水這是一種以物理機(jī)械能結(jié)合的水，它的結(jié)合能為

100

焦耳/摩爾，常存在于各種毛細(xì)間隙中；2.束縛水這是一種以物理化學(xué)結(jié)合的水，它的結(jié)合能為

3000

焦耳/摩爾，它與自由水相比，結(jié)合能要大

30

倍以上，它常吸附在介質(zhì)表面與介質(zhì)分子化學(xué)結(jié)合在一起，比較牢固，受分子間作用力的約束。0c59f8ea

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/3.結(jié)晶水這是一種化學(xué)結(jié)合水，存在于化合物結(jié)晶體的大分子鏈間，它的結(jié)合能更大，可達(dá)

5000

焦耳/摩爾。由于這三類水結(jié)合能的巨大差別，因此對(duì)微波加熱來(lái)說去除自由水最為容易，只要在微波電場(chǎng)作用下，水分子達(dá)到蒸發(fā)或汽化的溫度，即可從介質(zhì)間隙或毛細(xì)管中滲出或?qū)С觯坏珜?duì)束縛水來(lái)說卻要困難的多，束縛水與自由水的馳豫時(shí)間也不相同，前者的損耗峰存在于

1

千兆赫附近，而后者卻存在于

18～25

千兆赫之間，并且與溫度有關(guān)。要用微波去除結(jié)晶水更顯得困難。由于目前微波加熱應(yīng)用中許多材料都含有不同程度的水分（包括自由水和束縛水），如煙草、棉花、木材、木板、皮0c59f8ea

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/草、紡織品、紙張、茶葉、各種食品、蔬菜、糧食??，微波熱療中人體各種組織如皮膚、肌肉、血管、血液、淋巴、肝、肺、腎等有機(jī)體內(nèi)部都不同程度的含有水的成分，有的比例還很高。因此利用微波可對(duì)這些材料進(jìn)行諸如干燥、脫水、發(fā)酵、煮白、烘干、解冰、回原、殺蟲、滅菌、軟化、膨化、消解、萃取、固化、固色、烹調(diào)、活血化淤、消炎止痛、殺死癌細(xì)胞等。三、水的溫度特性水在不同的溫度下其介電特性會(huì)發(fā)生很大的變化，不管是介電常數(shù)的實(shí)部還是介電常數(shù)的虛部，都會(huì)隨著溫度的升高而單調(diào)地下降，其中尤以變得更快，從表中可以看出，水在

95℃時(shí)的是

5℃的十分之一左右，這就是說，低溫的損耗要大于高溫時(shí)的損耗。表一水的介質(zhì)溫度特性

f＝3

千兆赫形態(tài)冰水水水水水水水水水水水含0.1摩NaClT℃-125152535455565758595253.280.278.876.07470.767.564.060.556.55275.50.0039.47.56.04.94.03.22.418

因此微波在高溫時(shí)的滲透

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/深度就要比低溫時(shí)大的多，這一物理特性在水從低溫時(shí)吸收微波功