物料的电学特性

第六章食品的电学特性及应用1定义对食品电学性质的研究，虽然起步较晚，但随着食品工业的发展，近年越来越受到重视。食品电学性质主要是指：食品及其原料的导电特性、介电特性，以及其它电磁和物理特性。第一节基本概念2电学性质的研究领域主要有两个方面：2.1食品品质状态的监控食品的状态、成分变化往往反映在其电学性质的变化上。用电测传感器的方法把握食品的特性，成了一些食品工厂迈向自动化、效率化、规模化生产的重要手段。所谓“机电一体化”技术，其中许多测控部分都是利用了食品的电性学性质。尤其是在食品的非破坏检测方面，电学性质尤为重要。2.2.电磁物理加工用电磁物理技术对食品进行加工处理，这方面的技术主要有：静电电场处理技术、电磁波加工（远红外、微波、重叠波等）技术、通电加热技术、电滲透脱水技术、电磁场处理技术等。3电学特性分类从广义上说，物料的电学特性可分为二类。一类是主动电特性: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；另一类是被动电特性,指影响物料所在空间的电磁场及电流分布的一些特性，例如电阻、电导、介电特性等。本章主要讨论后一类电学特性。4食品电学特性研究的意义(1)食品加工中对食物资源充分利用的要求越来越高，同时也要求减少加工中营养损失和生物活性物质活性的降低。而传统的加工方法要达到以上要求，十分困难。要达到这一目的，只有发现全新的加工原理和开发新的技术。电物理加工方法正是在这种形势下出现的一种最有前途的加工新技术。(2)构成食品的分子或粒子，大都具有某种荷电的性质。因此，使用电场或电磁场有可能对构成食品的最小单位进行最富效果的加工处理。(3)属于生鲜食品的水果、蔬菜、种子等在贮藏流通中，电磁场对其生理活动进行有效的控制往往是保鲜的主要手段。这种生理作用己经被证实具有巨大潜力。(4)由于化石燃料能源的不可再生性，从长远观点看，电力将越来越在食品工业的能耗中占有更大的比例。加之电能有方便、卫生、易控制等特点，所以在加热、杀菌、干燥等耗能较高领域，食品的电物理加工将逐步取代利用其他能源的技术。(5)电物理特性的检测，对食品加工自动化、品质控制精确化提供了重要手段。5食品电学特性的应用概况6食品电学特性加工的课题(1)食品的电特性与其组织结构、力学性质、热学性质等的相互关联和影响;(2)作为浓缩能源的电力，在食品工程传热传质操作中的合理应用方法;(3)以电力为基础的食品加工装置计算和设计理论的建立;(4)利用电学性质对食品品质的检测和评价;(5)通过传统加工方法与电力加工方法的合理组合，使电力加工从经济性、安全性和效率上满足实际生产的需要。第二节食品电学特性1、什么是电介质：一切绝缘体统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。2、为什么要讨论电介质：电介质放入外场后，内部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变化。我们有必要对变化后的物理量进行讨论。一、电导特性(一)电阻和电阻率欧姆定律指出，导体内的电流强度与其两端的电位差成正比.V=IR导体的电阻。电阻及可由下式确定电阻率是表征导体性质的一个物理量，与导体尺寸无关的量。(二)电导和电导率电导是描述物体传导电流性能的物理量。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，单位为S。电导率是电阻率的倒数，记为S/m电导和电导率的差别在于电导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。在交流电场中电导率与介电常数有如下关系,介电常数是描述物料电特性的一个重要参数.MHzfmSfmFHzfmSffrrrr单位为单位式中上式也可写成大气介电常数。为介电损耗因数频率）电导率（式中：,/556.0:/10854.8)(/106.55212020常用电阻来衡量电子型导体的导电能力用电导来衡量离子型导体的导电能力(三)食品的电导特性及应用二、介电特性(一)电介质的极化和介电常数物体导体非导体(电介质)电子导体离子导体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,电介质在一般情况下是不导电的。如果将电介质置于外加电场中，则电介质将被极化。这时有极分子由杂乱的排列变为定向排列，形成定向极化，产生了束缚电荷无极分子由于原子核偏离而极化，在电介质表面上出现正、负电荷。无极分子当处在外电场中时，在场力作用下，本来处于重合中心的电子〔负)电荷“重心”发生了偏离，形成了一个电偶极子(dipole)。分子电偶极矩的方向沿外电场方向。在外电场下产生的电偶极矩可称为感生电矩。对于一块电介质整体，由于介质中每一分子形成了电偶极子，沿电场排列。那么在介质的与外电场垂直的端面，也会形成极化电荷。这种极化就是电子位移极化。高频电场中，只有电子位移极化有效，所以它也称为光学极化。(1)电子位移极化构成分子的各原子或原子团在外电场作用下发生了偏移，而产生极化的现象。各原子的偏移，是在像弹性振动那样的振动下进行的。原子极化也称为红外极化。(2)原子极化对于由两个以上原子结合的偶极子分子，即使没有电场作用也有一定固有电矩，因而是有极分子。水分子便是典型的偶极子分子，食品中含量较多的有极分子，虽然它们具有固有电矩，但由于分子不规则的热运动，在无电场施加的电介质中，所有分子固有电矩矢量和会相互抵消，宏观上不产生电场。但处于电场中时，分子电矩就会转向外电场方向。虽然分子热运动会使这种转向不很完全，但总体排列也会使介质在垂直于电场方向的两端面产生极化电荷。这样的极化称作取向极化，也称为偶极子极化。(3)取向极化电介质的极化会产生相反电场，因而使电场中两电荷间的作用力减小。并使充满电介质的电容器极板间的电位差减小，电容量增大。当平行板电容器两极板之间为真空时其电容的大小为：式中s极板的面积，d是两极板内侧面之间的距离。dsUUqCba0加入电介质后，电容器的电容比真空时增大倍。电介质的相对介电常数dsUUqCrba0相对介电常数:在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的。是表示物料可能贮存的电场能量．它反映该物料提高电容器电容量的能力。0CCr在正弦交流电流作用下，电阻两端的电压与电流是同频率的正弦量，而且相位相同。在纯电容电路中，相位上电流比电压超前电介质可用理想电容和电阻组成的并联电路表示并联电路两端施加交流电压V，那么，电流将分别流过电阻和电容器。流过电阻的电流IR以与所施加电压V相同的相位流过，消耗称为热能。另一方面，流过电容器的电流Ic则以与所施加电压V成90°的相位流过，其以电能形式贮存起来。所以，流过的全部电流I是IR和Ic的矢量和，即I=IR＋Ic。φ被称为相位角，Cosφ被称为功率因数，δ被称为损耗角，tanδ被称为损耗正切，tanδ＝IR/Ic,它表示所消耗的能量与所蓄积的能量之比。介质损耗角δ:简称介损角在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角的余角(δ)。称作介质损耗角的正切tg介电特性主要有三项,相对介电常数,相对介质损耗因数,介质损耗角的正切关系为:rrtgrrjrrrrtgej相对介质损耗因数相对介电常数复数相对介电常数rrr相对介电常数表示食品可能贮存的电场能量,反映食品提高电容器电容量的能力.相对介质损耗因数反映电介质在交流电场中可能损耗的能量，其值愈大表明物料在电磁波处理时加热愈快。rr介质损耗定义电介质在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。每立方厘米体积吸收的能量为可知，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是在高频下进行的。12210tan)9/5(fEP）物质的介电常数（）电场频率（）电场强度（）吸收功率（mFHzfmVEscmWP//)/(3(三)静电特性)/(221rqqKF库仑定律:相距为r的两个点电荷q1和q2之间的相互作用力为电场强度：电场中任一点的电场强度，在数值和方向上等于单位正电荷在该点时所受的力。电场强度是一矢量，单位是牛顿·库仑看出，点电荷在电场中所受的力可表示为：将需要进行分离的物料作为电介质置于平板之间.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，即式中为每个板的面积，为板间距离。CVq)/(0dACr(三)食品物质的介电特性试验表明，食品或食品原料的介电特性是受电场频率、物料含水率、温度及密度的影响由图可见，小麦在任何频率下介电常数随含水量的增加而增大，这是由于水的介电常数相当大的原因。损耗角正切则随含水率增加而增加或减小。这与物料品种和频率的大小有关。通常介电特性是随着含水率的变化而变化，在低频下要比高频下明显。介电常数随频率增加而减小，损耗角正切则随频率增加而可能增加或减小，这要根据不同作物或含水率而定。损耗因数是损耗角正切和介电常数的乘积，随频率作相应的变化。研究表明，小麦的介电常数和损耗因数与温度呈线性关系。图表示在给定含水率时，介电常数随温度升高而增大。试验研究还表明，介电常数和介质损耗因数还随物料容积密度而变化。(三)生物电生物体的组织和细胞所进行的生命活动都伴随电现象。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。植物损伤电位差是一种基本的生物电现象，植物损伤后与其完整部位之间存在电位差，其数值大小随损伤组织的情况而变化。损伤电位一般都随着组织损伤时间的延长而逐渐降低，这表明损伤电位是活组织的一种生物学特性，反映活组织浆膜的一种固有的电学性质。损伤电位的大小随损伤点的距离增大而减小。当植物体受机械的、化学的或热的刺激时，均会产生电位差。受刺激部位一般是负电位，电反应的幅度决定于刺激强度。图为植物组织受弯曲后的电反应。植物在光合作用过程中也有电位差。在植物的光照部位和黑暗部位之间，或树叶上叶绿素含量不同部位之间都存在电位差，电位差数值取决于光照强度的差别。实验表明，苹果的带电分布情况为：果芯部带负电，果肉部带正电，果柄处带负电，原来花尖处带正电。正电来源于大气，负电来源于大地。果皮为绝缘体，它能阻止电能损失。种子发芽期间，在胚芽部和其他部位间存在电位差。这种发芽电流是检测发芽势的重要标志。发芽后的子叶带正电，根部带负电。细胞分裂越活跃和生长超旺盛的部位，电位越高。针刺鸡蛋的两点，若两点间存在电位差，则说明是受精卵，可以孵化。电位差为15—20mV的是雄性，电位差为3—7mV的是雌性。(四)电磁辐射α、β、γ射线及中子射线、原子射线、电子射线、紫外线等都属于射线类，当这些射线穿过食品或农产品时，会对分子起到离子化作用，这种现象叫做电离辐射。1.电离辐射机理在农产品和一些食品的生物细胞组织中，维持其生命现象的各种生物活性物质，都是以溶解状态存在的。当细胞受到辐射线的照射时，生物活性物质遭到钝化而失去活性，进而由于生理代谢作用的严重损伤，细胞的活性机能遭到破坏。其中繁殖机能对射线最敏感，损伤最大。对于各种微生物，先是停止繁殖，继而抵挡不住辐射线的照射作用而死亡。农产品活体是含水物质，其水分经辐射处理后产生一系列复杂的电化学反应。电离辐射对生物作用的全过程，可以简化如下:2.电离辐射对农产品和食品的影响(1)生物学效应:生物学效应有杀菌、杀虫作用，使果树生长发育异常化，抑制马铃薯、洋葱、大蒜、地瓜等生根发芽，防止蘑菇开伞，延缓香蕉、番茄后熟，促进桃子、柿子成熟等(2)化学效应:化学效应有增加干制食品的复水性能，提高小麦面粉加工面包的性能，改进酒的品质，促使蛋白质、淀粉等的变性，提高发酵饲料中各种酶类的分解能力等。第三节食品中电特性测定食品电特性包括介电常数、介质损耗因数和介质损耗角正切等。