Диэлектрических потерь

Вода и микроволновые печи

Диэлектрической проницаемости и поляризации комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрической спектроскопии диэлектрических потерь Влияние солей проникновения электромагнитной

Микроволновая печь является частью современной жизни, но как микроволновые печи взаимодействует с водой в пищу эффективно нагревать пищу? Воды дипольный попытки переориентировать непрерывно в переменное электрическое поле электромагнитного излучения (см. внешние апплет). В зависимости от частоты дипольных может перемещаться во времени на поле, отставать от него или остаются по-видимому неизменным. При дипольном отстает от поля, то взаимодействие между диполем и полем приводит к потери энергии на отопление, степень которого зависит от разности фаз этих полей; отопления максимальна дважды в цикле [455]. Легкость движения зависит от вязкости и подвижности электронных облаков. В воде это, в свою очередь, зависит от силы и протяженности сети водородными связями. В свободной жидкой воды это движение происходит при ГГц (микроволновые печи), а в более ограниченном 'связанных' вода это происходит на частотах МГц (короткие радиоволны), и в лед на частотах кГц (длинные радиоволны). Переориентация процесса может быть смоделированы с использованием процесса "поживем-переключатель", где молекулы воды приходится ждать некоторое время, пока благоприятная ориентация соседних молекул происходит, а затем водородными связями перейти на новые молекулы [ 343 ]. Микроволновая печь отопления были смоделированы с помощью TIP4P-FQ potenial [ 570] И связано с взаимодействием этих движущихся диполей. Хотя колебания молекул биомолекул может иметь СВЧ, она не думала, что такое резонансной связи является значительным из-за их низкой энергии по сравнению с тепловой энергией и сильно увлажняющие водной среде [ тысяча триста тридцать одна].

Приложенное поле потенциала (Е, В) электромагнитного излучения дается;

E = E _макс. COS (wt)

где E _макс амплитуда потенциала, ω -угловая частота в radians.second ^-1 и т время (в секундах). Если поляризация отстает от поля фазы (δ, радианы), то поляризация (P, кулоны) изменяется

P = P _макс. соз (ω T - δ)

где Р _макс максимальное значение поляризации.

Таким образом, ток (I, ампер) изменяется

I = (др / дТ) = - ω P _макс. грехом (wt - δ)

Мощность (P, Вт) выдается в виде тепла является средним значением (текущий потенциал х). Это нулю, если нет задержки (то есть, если δ = 0), в противном случае

P = 0,5 P _макс E _макс ω. грех (δ)

[ к началу ]

Диэлектрических потерь

Это удобно, чтобы выразить диэлектрической проницаемости в условиях комплексного числа (ε _г *, комплексной диэлектрической проницаемости) определяется как:

ε _R * = ε _R '- я Lf

Там, где ε _R 'является способность материала, чтобы быть поляризованы внешним электрическим полем, Lf (коэффициент потерь) количественную эффективность, с которой электромагнитная энергия преобразуется в тепло, и я = . Это уравнение может быть визуализированы с учетом общей текущей как векторная сумма зарядный ток и потери тока, угла δ как разность фаз (лаг) между электрическим полем и, как следствие (ориентация) поляризация материала (см. аналогичный лечение в реологии).

Тан (δ) = потеря тока / зарядный ток = Lf / ε _г '

(См. вывод)

Условия (ε _г *, ε _г, Lf) все зависит от частоты излучения; относительной диэлектрической проницаемости (ε _г, диэлектрической проницаемости) на низких частотах (ε _S, статические области ^с) И при высокой (видимые) частоты (е _∞, оптической диэлектрической проницаемости) являются предельными значениями. Относительное изменение диэлектрической проницаемости с длиной волны (и, следовательно, частоты):

где ε _S является относительной диэлектрической проницаемости на низких частотах (статическая область), а λ_S является критической длины волны (максимум диэлектрических потерь).

(более подробно об комплексной диэлектрической проницаемости)

где τ -время релаксации (мера времени, необходимого для воды, чтобы вращать ( где г-радиус молекулы, к-постоянная Больцмана, η-вязкость), также рассматривается как задержка частиц реагировать на поле изменить, или для возвращения после дезориентации. Максимальная потеря происходит, когда ω = 1 / τ ^б. Для воды при 25 ° C, τ является 8,27 пс (для гексагонального льда при 0 ° C, τ ~ 20 мкс) и г наполовину (дифракции определенного) между кислородом расстоянии (1,4 Å).

На рис. 1 диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь воды от 0 ° C и 100 ° C, стрелки показывают влияние повышения температуры (данных является ориентировочной, но на основе [ 64, 135 ]; точные данныенанесены ниже) или увеличение воду деятельности. Диапазон длин волн 0,01 - 100 см эквивалентно 3 ТГц - 0,3 ГГц соответственно. При повышении температуры, силы и степени водородных связей и уменьшаться. Это (1) снижает как статическая и оптическая диэлектрические проницаемости, (2) уменьшает трудности для движения дипольных и таким образом позволяет молекулы воды колебаться на высоких частотах, и (3) уменьшает сопротивление при вращении молекул воды, таким образом уменьшая трение и, следовательно, диэлектрические потери. Обратите внимание, что е _∞ (то есть диэлектрической проницаемости на коротких волнах) существенно не изменяется с температурой. Большинство из диэлектрических потерь в СВЧ-диапазоне электромагнитного излучения (~ 1 - ~ 300 ГГц, с волновым 0,033 см ^-1 - 10 см ^-1, и длина волны 0,3 м - 1,0 мм соответственно). Частоты для максимального угла диэлектрических потерь лежит выше 2,45 ГГц (волновое число 0,0817 см ^-1, длина волны 12,24 см) производства наиболее микроволновых печей. Это связано с тем, что излучение не полностью адсорбированного первый слой воды он встречает и может глубже проникнуть в продуктах питания, нагревая ее более равномерно; непоглощенной излучения, проходящего сквозь основном отражается обратно, в связи с дизайн микроволновой печи, и поглощается на более поздних проходах.

Приведенные выше данные также могут быть построены с использованием Коул-Коула участка, а напротив, диэлектрической проницаемости по сравнению с диэлектрических потерь. Красные дуги окружности показать влияние температуры варьировались от 20 ° C составляет от О ° С до 100 ° C, в то время как синие линии показывают изменение с температурой на фиксированных длинах волн (1,3 - 201 ГГц). Для сравнения показаны также является земельный участок (пунктирная линия) для чистого льда объеме [1230 ] (обратите внимание на гораздо более низких частотах).

Обратите внимание, что изменения в диэлектрических свойств при температуре приводит к максимумам в температурном поведении при постоянной частоте.

Графические противоположной являются уравнения, полученные для чистой воды в диапазоне от -20 ° C ~ +40 ° C [683 ], экстраполированы (пунктирные линии), чтобы указать тенденции. Уравнения, которые генерируют эти кривые включать 15 оптимизированными параметрами.Другие данные были опубликованы [1185].

Влияние температуры на время релаксации диэлектрической показан на другой странице.

Тангенс угла диэлектрических потерь (Lf) возрастает до максимума на критической частоте.

[ к началу ]

Дата добавления: 2015-07-25