Діелектрична проникність — Вікіпедія
Діелектр́ична прон́икність (діелектрична стала) середовища ε — безрозмірна величина, що характеризує ізоляційні властивості середовища. Вона показує, у скільки разів взаємодія між зарядами в однорідному середовищі менша, ніж у вакуумі.
Загальна характеристика[ред. | ред. код]
Мiра впливу середовища на потенцiйну енергiю взаємодiї мiж двома зарядами. Визначається вiдношенням ємностей конденсатора в присутностi та вiдсутностi зразка мiж обкладинками конденсатора. Це також характеристика відносної здатності діелектрика в конденсаторі забезпечувати зберігання енергії. Використовується в розрахунках, що моделюють присутність розчинника, в методах молекулярної механіки та квантової хімії.
Зменшення сили взаємодії між зарядами викликано процесами поляризації середовища. У електричному полі електрони в атомах та молекулах зміщуються відносно йонів, і виникає наведений дипольний момент. Ті молекули, які мають власний дипольний момент (наприклад, молекула води), орієнтуються в електричному полі.
r{\displaystyle {\hat {\varepsilon }}_{r}}називають відносною діелектричною проникністю.
Відносна діелектрична проникність εr може бути визначена шляхом порівняння електричної ємності тестового електричного конденсатора з певним діелектриком (Cx) і ємності того ж конденсатора у вакуумі (Co):
- εr=CxC0.{\displaystyle \varepsilon _{r}={\frac {C_{x}}{C_{0}}}.}
Діелектрична функція[ред. | ред. код]
Фізична картина, яка лежить в основі відгуку (реакції) середовища на змінне електричне поле, має суттєво інший характер. Зовнішнє електричне поле викликає зміщення зарядів і утворення наведених дипольних моментів, але цей процес відстає від зміни зовнішнього поля. В такому випадку, електричне поле створене наведеними дипольними моментами, залежить від того, яким було зовнішнє електричне поле в попередні моменти часу.
Враховуючи відставання відклику середовища від зміни поля, для поляризації P{\displaystyle \mathbf {P} }можна записати[1]
- P=∫−∞tα^(t−t′)E(t′)dt′{\displaystyle \mathbf {P} =\int _{-\infty }^{t}{\hat {\alpha }}(t-t^{\prime })\mathbf {E} (t^{\prime })dt^{\prime }}.
{\prime \prime }>0}.
{\prime \prime }>0}.Від’ємні значення уявної складової діелектричної проникності виникають лише для дуже нерівноважних середовищ, у яких можливе підсилення світла (див. лазер).
Загалом принцип причинності накладає певні обмеження на можливі значення дійсної та уявної складових діелектричної проникності, які задаються співвідношеннями Крамерса-Кроніґа.
Низькі частоти[ред. | ред. код]
На низьких частотах діелектрична проникність речовин близька до діелектричної сталої. Проте необхідно враховувати той факт, що реальні діелектрики хоча б частково проводять електричний струм. Для речовини з провідністю σ діелектрична проникність на частоті ω дорівнює
- ε(ω)=εst+4πσiω{\displaystyle \varepsilon (\omega )=\varepsilon _{st}+{\frac {4\pi \sigma i}{\omega }}},
де c — швидкість світла, εst{\displaystyle \varepsilon _{st}} — діелектрична стала.
Для провідників другий член великий завдяки великому значенню провідності. Існуванням цього члена пояснюється скін-ефект — часткове проникнення електричного поля в провідник.
{2}\ }.
- ↑ У цьому розділі формули записані в СГСГ
- Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
- Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Загальний курс фізики : навч. посібник у 3-х т. — Київ : Техніка, 2006. — Т. 2 : Електрика і магнетизм.
| Знаймо Додати знанняприховати рекламу | Цей текст може містити помилки. Введення Відносна діелектрична проникність середовища ε — безрозмірна фізична величина, що характеризує властивості ізолюючої (діелектричної) середовища. Пов’язана з ефектом поляризації діелектриків під дією електричного поля (і з характеризує цей ефект величиною діелектричної сприйнятливості середовища). Величина ε показує, у скільки разів сила взаємодії двох електричних зарядів в середовищі менше, ніж у вакуумі. 1. ВимірюванняВідносна діелектрична проникність речовини ε r може бути визначена шляхом порівняння ємності тестового конденсатора з даним діелектриком (C x) і ємності того ж конденсатора в вакуумі (C o): 2. Практичне застосування Діелектрична проникність діелектриків є одним з основних параметрів при розробці електричних конденсаторів. Використання матеріалів з високою діелектричною проникністю дозволяють істотно знизити фізичні розміри конденсаторів. Ємність конденсаторів визначається: де ε r — діелектрична проникність речовини між обкладками, ε о — електрична постійна, S — площа обкладок конденсатора, d — відстань між обкладками. Параметр діелектричної проникності враховується при розробці друкованих плат. Значення діелектричної проникності речовини між шарами в поєднанні з його товщиною впливає на величину природної статичної ємності верств харчування, а також суттєво впливає на хвильовий опір провідників на платі. 3. Залежність від частоти Слід зазначити, що діелектрична проникність в значній мірі залежить від частоти електромагнітного поля. Це слід завжди враховувати, оскільки таблиці довідників зазвичай містять дані для статичного поля або малих частот аж до декількох одиниць кГц без вказівки даного факту. У той же час існують і оптичні методи отримання відносної діелектричної проникності за коефіцієнтом заломлення за допомогою еліпсометрії та рефрактометрів. Примітки
5. Значення діелектричної проникності для деяких речовин
Цей текст може містити помилки. Схожі роботи | скачати Схожі роботи: |
Відносна діелектрична проникність повітря і більшості інших газів в нормальних умовах близька до одиниці (в силу їх низької щільності). Для більшості твердих або рідких діелектриків відносна діелектрична проникність лежить в діапазоні від 2 до 8 (для статичного поля). Діелектрична постійна води в статичному полі досить висока — близько 80. Великі її значення для речовин з молекулами, що володіють великим електричним диполем. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків складає десятки і сотні тисяч.
12 (інфрачервона область) можна прочитати на [1] (англ.)
ru / forum / index.php? showtopic = 58791
1.5. Діелектрична проникність
Про
явище поляризації судять за значенням
діелектричної проникності ε. Параметр
матеріалу, що характеризує здатність
матеріалу утворювати ємність, називається
діелектричною прони—кністюε і показує, в скільки разів збільшується
ємністьконден-сатора,
коли між пластини конденсатора внести
даний матеріал, не змінюючи габаритів
конденсатора, в порівнянні з вакуумом.
Потрі-бно врахувати, що
ємність конденсатора залежить від його
геоме-тричних розмірів
і властивостей матеріалу
(1.23)
де C0– ємність
вакуумного конденсатора.
;
;(1.24)
де
S
– площа обкладок конденсатора, м2;
h
– товщина ізоляційного шару, м; ε0
– електрична постійна, ε0
=
8,854∙10-12
Ф/м;
Λ – приведена довжина конденсатора, м.
Добуток
ε0·ε називається абсолютною
діелектричною про-никністю
або питомою ємністю конденсатора.
Для плоского
конденсатора:
(1.25)
де S– площа
обкладок, м2;h– товщина ізоляційного шару, м.
Для циліндричного
конденсатора:
.
(1.26)
Тут l– довжина конденсатора, м;r1,
r2– радіуси внутріш-ньої і
зовнішньої обкладок, м.
Якщо то
. (1.27)
Для
сферичного конденсатора:
. (1.28)
Для
кабелів, систем паралельних проводів
введено
поняття питомої ємності, тобто ємності,
віднесеної до одиниці довжини кабелю.
(1.29)
Для
коаксіального кабелю:
(1.30)
Для
двох паралельних круглих проводівдіаметром
кож-ний і при віддалі
між осями проводів h при умові (d
h):
(1.31)
Запишемо
формули, що визначають опір та ємність
ділянки ізоляції.
(1.32)
Перемноживши
праві і ліві частини, одержимо
(1.33)
Таким
чином для будь-якого конденсатора або
ділянки ізоляції добуток
не залежить від габаритів і форми
конденсатора, а залежить винятково від
ε і ρ. Іноді у випадку, коли об’ємний
опірзначно перевищує,
то в цю формулу може бути підставлено.
Добутокмає певний фізичний зміст: він є опором
ізоляції, віднесеним до одиниці ємності.
Крім цього цей добуток характеризує
процес саморозряду конденсатора.
Рис.1.12.
Залежність напруги на конденсаторі при
його
саморозряді
від часу та схема його саморозряду.
Рівняння спаду напруги uна електродах
конденсатора в функції часуt, що
був під напругоюU0 для
схеми заміщення (рис.1.12)має вигляд:
(1.34)
–постійна саморозряду, тобто час, за
який напругаUна конденсаторі
зменшується ве = 2,718 разів. Чим більше,
тим якість ізоляції якнайкраща.
На
практиці часто приходиться зустрічатися
із задачею визначення діелектричної
проникності εс композиційного
діелект-рика, що є сумішшю двох або
більше компонентів.
Діелектрична
проникність складних діелектриків може
бути в першому наближенні визначена на
основі логарифмічного зако-ну:
(1.35)
де
–відносні діелектричні
проникності першого і другого компонентів
суміші;
– об’ємні
концентрації першого і дру-гого
компонентів суміші.
Сума
концентрацій задовольняє умові:
абох
– константа,
що задовольняє умові
і
харак-теризує
шаровий розподіл компонентів.
Рис.1.13.
Плоский конденсатор з різними діелектриками
(1,2,
…,n),
що
з’єднані послідовно (а) і паралельно
(б).
Для
паралельного сполучення діелектриків
(х =
1):
(1.36)
Для
послідовного сполучення (двошаровий
діелектрик (х
= –1)):
або (1.37)
Формули
(1.36), (1.37) можуть використовуватись в
бага-тьох практичних
випадках. Встановлено, що для конденсаторного
паперу досить добре підходить модель
послідовно з’єднаних шарів паперу і
повітря.
При
хаотичному розподілі компонентів, що
спостерігається в технічних діелектриках,
наприклад, кераміці, пластмасі,
колимаємо:
(1.38)
Слід відмітити, що формула (1.38) придатна
для розрахунку не тільки діелектричної
проникності, але й магнітної проникності
і питомої електропровідності сумішей.
У всіх випадках потрібно вважати, що
компоненти утворюють тісну фізичну
суміш, але хімічно один з одним не
реагують.
Рис. 1.14. Характер
залежностей діелектричної проникності
суміші c
двох компонентів A,
B
від їх об’ємного вмісту в суміші: (1 –
паралельне з’єднання, 2 – послідовне
з’єднання, 3 – змішане з’єднання).
Для спрощення розрахунків
за формулою (1.38) може бути
використана номограма (рис. 1.15). На трьох
її шкалах відкладені 1/2(для випадку1>2),
у1(у2)
іс/2.
Точки на шкалах, що відповідають умові
(1.38) лежать на одній прямій, так, що по
двох відомих величинах легко знаходиться
третя.
Як
приклад, на номограмі показано знаходження
діелект-ричної проникності
сдля
пластмаси, що складається із 20
% наповнювача (у1 = 0,2) –
порошка рутилу (1
= 110) і 80 % (у2 =
0,8) зв’язуючого –
полістиролу (2
= 2,6). Пунктирна пряма, що з’єднує
точки 1/2
= 42,4 іу1 = 0,2 (у2 =
0,8), перетинає третю шкалу в точціс/2
= 2.
Таким чином,с= 2·2,6 = 5,2.
Рис.1.15. Номограма розрахунку діелектричної
проникності суміші за формулою (1.38).
Діелектрична
проникність газів, внаслідок їх низької
густини (із-за великих відстаней між
молекулами) незначна і близька до
одиниці. Зазвичай поляризація газу є
електронною чи дипольною, якщо молекули
полярні. Діелектрична проникність газу
тим вища, чим більший радіус молекули.
Зміна числа молекул газу в одиниці
об’єму газу n
при зміні температури і тиску викликає
зміну діелектричної проникності газу.
Число молекул N
пропорційне тиску і обернено пропорційно
абсолютній температурі.
При
зміні вологості діелектрична проникність
повітря змі-нюється
незначно,
прямопропорційно
зміні вологості. При під-вищеній
температурі вплив вологості різко
посилюється. Темпера-турна
залежність діелектричної проникності
характеризується виразом:
(1.39)
Для неполярної
рідини
(1.
40)
Діелектрична
проникність рідин сильно залежить від
їх структури. Значення ε неполярних
рідин невисокі і близькі до квадрату
заломлення світла n2.
Діелектрична проникність полярних
рідин, які використовуються в якості
технічних діелектриків, лежить у межах
від 3,5 до 5, що суттєво більше, ніж в
неполярних рідин. Так, поляризація
рідин, що містять дипольні молекули,
визначається одночасно електронною і
дипольно-релаксаційною поляризаціями.
Сильнополярні
рідини характеризуються високим
значен-ням ε із-за їх високої провідності.
Температурна залежність ε в дипольних
рідинах має більш складний характер,
ніж у нейтральних рідинах. Тому ε на
частоті 50 Гц для хлорованого дифенілу
(соволу) швидко зростає із-за різкого
падіння в’язкості рідини, а дипольні
молекули встигають орієнтуватись услід
за зміною температури. Зменшення ε
проходить внаслідок посилення теплового
руху молекул, що перешкоджає їх орієнтації
в напрямі ліній електричного
поля.
Діелектрична
проникність твердих діелектриків, в
яких можливі всі види поляризацій, має
найменше значення, якщо структура
матеріалу побудована з нейтральних
молекул і володіє електронною поляризацією,
тоді ε
= n2.
Температурна
залежність ε визначається зміною числа
молекул в одиниці об’єму.
Рис.1.16.
Залежність діелектричної проникності
від частоти
і
від температури для соволу.
Для
нейтральної молекули, парафіну, зниження
ε очікується при температурі
плавлення (рис.1.17).
Рис.1.17.
Температурні залежності діелектричної
проникності
для
парафіну (1), іонного кристалу (2), фарфору
(3), целюлози (4).
Величина
діелектричної проникності ε є важливою
і при розрахунку напруженості електричного
поля в багатошарових діелектриках.
Найпростіший випадок двошарового
плоского конде-нсатора
представлено на рис. 1.18. Комбінуючи
умову послідов-ного з’єднання
шарів маємо:
(1.
41)
(1.42)
(1.43)
Графік падіння
потенціалу в функції віддалі від
електроду Y
зображено на рис.1.18
ламаною PQR,
а графік значень Е
– ламаною KLMNT.
Функції tgβ1
і tgβ2
пропорційні значенням Е1
і Е2
відповідно.
Якщо
б упросторі між електродами
конденсатораYіZзнаходився
тільки один діелектрик, то мали б випадок
плоскогоконденсатора з
однорідним полем. В цьому випадку падіння
потен-ціалу визначалось
би пунктирною лінієюPR, а напруженість
поля – пунктирною горизонтальною прямоюSTі напруженість поля у всьомуоб’ємі
діелектрика була б однаковою, причому
β1
< β0
< β2
і
Е1
< Е < Е2.
Рис.1.18.
Картина електричного поля в двошаровому
діелектрику.
В
загальному випадку для багатошарового
діелектрика напруженість і-го шару
визначиться за формулою:
(1.44)
де U – повна напруга
на конденсаторі, аUi, Ei,
hi, εi–
відповідно напруга, напруженість,
товщина та діелектрична проникність
для кожного окремого шару.
При
конструюванні і розрахунку багатошарової
ізоляції потрібно враховувати, що шари
діелектриків з більш високою діелектричною
проникністю прагнуть “розвантажитися”
і перекласти більшу частину електричної
напруги на шари з меншою діелектричною
проникністю. Особливо в невигідному
положенні є повітряні проміжки всередині
ізоляційного шару.
Для
одношарового циліндричного конденсатора
для точки в діелектрику між електродами,
що знаходиться на відстані х, м, від
осі конденсаторанапруженістьЕхдорівнює:
(1.45)
Таким
чином, в циліндричному конденсаторі
поле неодно-рідне: найбільша величина
напруженості поля має місце в точках
діелектрика, безпосередньо прилягаючих
до внутрішнього діаметру електроду (x
= r1):
(1.
46)
а
найменша – в точках, що прилягають до
зовнішнього електроду (x
= r2).
Для проміжних точок графік залежності
Ех
= f
(х)
має
вигляд
гіперболи.
Якщо
ж діелектрик циліндричного конденсатора
– багатошаровий (n
шарів), то напруженість в і-му
шарі на відстані х
від осі конденсатора
залежить
від значень εі
діелектрич-них
проникностей матеріалів шарів і дорівнює:
(1.47)
Як
видно з
формул
(1.42) і (1.47), на відміну від випадку
багатошарового плоского конденсатора
порядок розміщення мате-ріалів у шарах
циліндричного конденсатора впливає на
значення напруженості поля в окремих
шарах. Для того, щоб отримати найбільш
вигідний розподіл напруженостей, тобто
отримання най-нижчих
Еі,
потрібно
розміщувати у внутрішні шари багатошаро-вого
циліндричного конденсатора діелектрики
з високими значен-нями ε.
Це частковий випадок загального правила:
в нерівномірно-му полі для зменшення
електричного навантаження електроізоляці-йних
матеріалів слід у місця з найбільшим
електричним зміщенням D=ε0ε1E1=ε0ε2E2
поміщати матеріали з найбільшим значенням
ε.
Всі ці положення, як було вказано вище,
справедливі для змінного струму.
Для
розрахунку електричного поля в
багатошаровій ізоля-ції, що працює під
постійною напругою у вищевказаних
формулах замість значень ε потрібно
підставляти значення об’ємної питомої
провідності γ матеріалів відповідних
шарів.
Діелектрична проникність
Будь-яка речовина або тіло, що оточує нас, має певні електричними властивостями. Це пояснюється молекулярної і атомної структурою: наявністю заряджених частинок, що знаходяться у взаємно пов’язаному або вільному стані.
Коли на речовина не діє жодна зовнішнє електричне поле, то ці частинки розподіляються так, що врівноважують один одного і в усьому сумарному обсязі не створюють додаткового електричного поля.
У разі застосування ззовні електричної енергії всередині молекул і атомів виникає перерозподіл зарядів, яке веде до створення власного внутрішнього електричного поля, спрямованого зустрічно зовнішньому.
Відносна діелектрична проникність
Використовуючи той факт, що діелектрична проникність середовища ε визначає заряд, який може утримуватися середовищем, можна бачити, що формула для її визначення. Де: ε = діелектрична проникність речовини в Фарадах на метр. З визначень діелектричної проникності видно, що константи пов’язані з наступним рівнянням.
Вибір конденсатора діелектрика
Конденсатори використовують в якості свого діелектричного матеріалу різні речовини. Матеріал вибирається для властивостей, які він надає. Однією з основних причин вибору конкретного діелектричного матеріалу є його діелектрична постійна. Ті, у кого висока діелектрична постійна, дозволяють досягти високих значень ємності — кожна з яких має різну діелектричну постійну. Це змінює величину ємності, яку конденсатор буде мати для заданої області і відстані.
Якщо вектор прикладеної зовнішньої поля позначити «Е0», а внутрішнього — «Е» », то повне поле« Е »буде складатися з енергії цих двох величин.
В електриці прийнято ділити речовини на:
провідники;
діелектрики.
Така класифікація існує здавна, хоча вона досить умовна тому, що багато тіл мають інші або комбінованими властивостями.
Діелектрик також повинен бути обраний відповідно до вимог, такими як міцність ізоляції — він повинен вміти витримувати напруги, розташовані на ньому, з використанням рівнів товщини. Він також повинен бути досить стабільним зі зміною температури, вологості і напруги і т.д.
Відносна діелектрична проникність загальних речовин
У наведеній нижче таблиці наведено відносна діелектрична проникність ряду звичайних речовин. Зазначені вище значення є тим, що можна назвати «статичними» значеннями діелектричної проникності. Вони справедливі для стійкого стану або низьких частот. Виявлено, що діелектрична проникність матеріалу зазвичай зменшується зі збільшенням частоти.
Він також падає з підвищенням температури.
провідники
В ролі провідників виступають середовища, що мають в наявності вільні заряди. Найчастіше провідниками виступають метали, адже в їх структурі завжди присутні вільні електрони, які здатні переміщатися всередині всього обсягу речовини і, одночасно, є учасниками теплових процесів.
Коли провідник ізольований від дії зовнішніх електричних полів, то в ньому створюється баланс позитивних і негативнихзарядів з іонних решіток і вільних електронів. Ця рівновага відразу руйнується при внесенні — завдяки енергії якого починається перерозподіл заряджених частинок і виникають незбалансовані заряди позитивних і негативних величин на зовнішній поверхні.
Це явище прийнято називати електростатичного індукції
. Виниклі при ній заряди на поверхні металів називають індукційними зарядами.
Освічені в провіднику індукційні заряди формують власне поле Е «, яке компенсує дію зовнішнього Е0 всередині провідника. Тому значення повного, сумарного електростатичного поля скомпенсировано і дорівнює 0.
При цьому потенціали всіх точок як всередині, так і зовні однакові.
Отриманий висновок свідчить, що всередині провідника, навіть при підключеному зовнішньому полі, відсутня різниця потенціалів і немає електростатичних полів. Цей факт використовується при екранування — застосуванні способу електростатичного захисту людей і чутливого до наведеним полях електрообладнання, особливо високоточних вимірювальних приладів і мікропроцесорної техніки.
Екранована одяг і взуття з тканин з струмопровідними нитками, включаючи головний убір, використовується в енергетиці для захисту персоналу, що працює в умовах підвищеної напруженості, створюваної високовольтним обладнанням.
діелектрики
Так називають речовини, що володіють ізоляційні властивості. Вони мають в своєму складі тільки пов’язані між собою, а не вільні заряди. У них все позитивні і негативні частинки скріплені всередині нейтрального атома, позбавлені свободи пересування. Вони розподілені всередині діелектрика і не переміщаються під дією прикладеного зовнішнього поля Е0.
Однак, його енергія все ж викликає певні зміни в структурі речовини — всередині атомів і молекул змінюється співвідношення позитивних і негативних частинок, а на поверхні речовини виникають зайві, незбалансовані пов’язані заряди, що утворюють внутрішнє електричне поле Е «. Воно спрямоване зустрічно прикладеної ззовні напруженості.
Це явище отримало назву поляризації діелектрика. Воно характеризується тим, що всередині речовини проявляється електричне поле Е, утворене дією зовнішньої енергії Е0, але ослаблене протидією внутрішньої Е «.
види поляризації
Вона всередині діелектриків буває двох видів:
1. орієнтаційної;
2. електронної.
Перший тип має додаткову назву дипольної поляризації. Він притаманний діелектриків зі зміщеними центрами у негативних і позитивних зарядів, які утворюють молекули з мікроскопічних диполів — нейтральної сукупності з двох зарядів. Це характерно для води, діоксиду азоту, сірководню.
Без дії зовнішнього електричного поля у таких речовин молекулярні диполі орієнтуються хаотичним чином під впливом діючих температурних процесів.
При цьому в будь-якій точці внутрішнього об’єму і на зовнішній поверхні діелектрика немає електричного заряду.
Ця картина змінюється під впливом прикладеної ззовні енергії, коли диполі трохи змінюють свою орієнтацію і на поверхні виникають області не скомпенсованих макроскопічних пов’язаних зарядів, що утворюють поле Е «із зустрічним напрямком до прикладеному Е0.
При такій поляризації великий вплив на процеси надає температура, що викликає тепловий рух і створює дезорієнтують чинники.
Електронна поляризація, пружний механізм
Вона проявляється у неполярних діелектриків — матеріалів іншого виду з молекулами, позбавленими дипольного моменту, які під вплив зовнішнього поля деформуються так, що позитивні заряди орієнтуються у напрямку вектора Е0, а негативні — в протилежну сторону.
У підсумку кожна з молекул працює як електричний диполь, зорієнтований по осі прикладеного поля. Вони, таким способом, створюють на зовнішній поверхні своє поле Е «із зустрічним напрямком.
У подібних речовин деформація молекул, а, отже, і поляризація від впливу поля ззовні не залежить від їх руху під впливом температури. Як приклад неполярного діелектрика можна привести метан Сh5.
Чисельне значення внутрішнього поля обох видів діелектриків за величиною спочатку змінюється прямо пропорційно зростанню зовнішнього поля, а потім, при досягненні насичення, проявляються ефекти нелінійного характеру. Вони наступають тоді, коли всі молекулярні диполі вишикувалися уздовж силових ліній у полярних діелектриків або відбулися зміни структури неполярного речовини, обумовлені сильною деформацією атомів і молекул від великої прикладеної ззовні енергії.
На практиці такі випадки виникають рідко — зазвичай раніше настає пробою або порушення ізоляції.
Діелектрична проникність
Серед ізоляційних матеріалів важлива роль відводиться електричним характеристикам і таким показником, як діелектрична проникність. Вона може оцінюватися двома різними характеристиками:
1.
абсолютним значенням;
2. відносною величиною.
терміном абсолютної діелектричної проникності речовини εa користуються при зверненні до математичного запису закону Кулона. Вона, у формі коефіцієнта εа, пов’язує вектора індукції D і напруженості E.
Згадаймо, що французький фізик Шарль де Кулон за допомогою власних крутильних ваг досліджував закономірності електричних і магнітних сил між невеликими зарядженими тілами.
Визначення відносної діелектричної проникності середовища використовується для характеристики ізоляційних властивостей речовини. Вона оцінює співвідношення сили взаємодії між двома точковими зарядами при двох різних умовах: у вакуумі і робітничому середовищі. При цьому показники вакууму приймаються за 1 (εv = 1), а у реальних речовин вони завжди вище, εr\u003e 1.
Чисельне вираження εr відображається безрозмірною величиною, пояснюється ефектом поляризації у діелектриків, використовується для оцінки їх характеристик.
Значення діелектричної проникності окремих середовищ (При кімнатній температурі)
| речовина | ε | речовина | ε |
| сегнетова сіль | 6000 | алмаз | 5,7 |
| Рутил (уздовж оптичної осі) | 170 | вода | 81 |
| поліетилен | 2,3 | Спирт етиловий | 26,8 |
| кремній | 12,0 | Слюда | 6 |
| Скло | 5-16 | Вуглекислий газ | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | Водяна пара | 1,0126 |
| бензол | 2,322 | Повітря (760 мм рт. Ст.) | 1,00057 |
ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ, величина ε, що характеризує поляризацію діелектриків під дією електричного поля напруженістю Е. Діелектрична проникність входить в Кулона закон як величина, що показує, у скільки разів сила взаємодії двох вільних зарядів в діелектрику менше, ніж у вакуумі. Ослаблення взаємодії відбувається внаслідок екранування вільних зарядів пов’язаними, що утворюються в результаті поляризації середовища. Пов’язані заряди виникають внаслідок мікроскопічного просторового перерозподілу зарядів (електронів, іонів) в електрично нейтральної в цілому середовищі.
Зв’язок між векторами поляризації Р, напруженості електричного поля Е і електричної індукції D в ізотропному середовищі в системі одиниць СІ має вигляд:
де ε 0 — електрична постійна. Величина діелектричної проникності ε залежить від структури і хімічного складу речовини, а також від тиску, температури і інших зовнішніх умов (табл.).
Для газів її величина близька до 1, для рідин і твердих тіл змінюється від декількох одиниць до декількох десятків, у сегнетоелектриків може досягати 10 4.
Такий розкид значень ε обумовлений різними механізмами поляризації, що мають місце в різних діелектриках.
Класична мікроскопічну теорію призводить до наближеного виразу для діелектричної проникності неполярних діелектриків:
де n i — концентрація i-го сорту атомів, іонів або молекул, α i — їх здатність до поляризації, β i — так званий фактор внутрішнього поля, обумовлений особливостями структури кристала або речовини. Для більшості діелектриків з діелектричної проникністю, що лежить в межах 2-8, β = 1/3. Зазвичай діелектрична проникність практично не залежить від величини прикладеного електричного поля аж до електричного пробою діелектрика. Високі значення ε деяких оксидів металів та інших з’єднань обумовлені особливостями їх структури, що допускає під дією поля Е колективне зміщення підграток позитивних і негативних іонів в протилежних напрямках і утворення значних пов’язаних зарядів на кордоні кристала.
Процес поляризації діелектрика при накладенні електричного поля розвивається не миттєво, а протягом деякого часу τ (часу релаксації).
Якщо поле Е змінюється в часі t за гармонійним законом з частотою ω, то поляризація діелектрика не встигає слідувати за ним і між коливаннями Р і Е з’являється різниця фаз δ. При описі коливань Р і Е методом комплексних амплітуд діелектричну проникність представляють комплексною величиною:
ε = ε ‘+ iε «,
причому ε ‘і ε «залежать від ω і τ, а відношення ε» / ε’ = tg δ визначає діелектричні втрати в середовищі. Зрушення фаз δ залежить від співвідношення τ і періоду поля Т = 2π / ω. при τ\u003e Т (високі частоти) поляризація не встигає за зміною Ε, δ → π і ε ‘в цьому випадку позначають ε (∞) (механізм поляризації «відключений»). Очевидно, що ε (0)\u003e ε (∞), і в змінних полях діелектрична проникність виявляється функцією ω. Поблизу ω = l / τ відбувається зміна ε ‘від ε (0) до ε (∞) (область дисперсії), а залежність tgδ (ω) проходить через максимум.
Характер залежностей ε ‘(ω) і tgδ (ω) в області дисперсії визначається механізмом поляризації. У разі іонного і електронного поляризаций при пружному зсуві пов’язаних зарядів зміна Р (t) при ступінчастому включенні поля Е має характер згасаючих коливань і залежності ε ‘(ω) і tgδ (ω) називаються резонансними.
У разі орієнтаційної поляризації встановлення Р (t) носить експонентний характер, а залежно ε ‘(ω) і tgδ (ω) називаються релаксаційним.
Методи вимірювання діелектричної поляризації засновані на явищах взаємодії електромагнітного поля з електричними дипольними моментами частинок речовини і різні для різних частот. В основі більшості методів при ω ≤ 10 8 Гц лежить процес зарядки і розрядки вимірювального конденсатора, заповненого досліджуваним діелектриком. при більш високих частотах використовуються хвилеводні, резонансні, мультичастотні і інші методи.
У деяких діелектриках, наприклад сегнетоелектриках, пропорційна залежність між Р і Ε [Ρ = ε 0 (ε — 1) Е] і, отже, між D і Е порушується вже в звичайних, що досягаються на практиці електричних полях. Формально це описується як залежність ε (Ε) ≠ const. В цьому випадку важливою електричної характеристикою діелектрика є диференціальна діелектрична проникність:
У нелінійних діелектриків величину ε диф вимірюють зазвичай в слабких змінних полях при одночасному накладення сильного постійного поля, а змінну складову ε диф, називають реверсивної діелектричної проникністю.
Літ. дивись при ст. Діелектрики.
Вконтакте
Google+
проріз
Дослідження залежності діелектричної проникності матеріалів від температури
Обладнання:
Термостат МВ-003 або МВ-004, вимірювач RLC типу Е7-22 або цифровий мультиметр з можливістю вимірювання електричної ємності, демонстраційний діелектричний зразок, вимірювальні конденсатори зі зразками монокристалічної сегнетової солі, штангенциркуль.
Теоретична частина
До діелектриків належить досить багато хімічних речовин та матеріалів. Усі діелектрики можна поділити на неполярні, полярні, йонні та сегнетоелектрики. До неполярних діелектриків належать газоподібні, рідкі та тверді діелектрики, що складаються з неполярних молекул, наприклад повітря, азот, керосин, ебоніт, парафін, та мають невисокі значення діелектричної проникності ε – від однієї до декількох одиниць.
До полярних діелектриків належать гази та рідини, що складаються з полярних молекул, наприклад, аміак, вода, спирти, та мають діелектричну проникність у декілька десятків одиниць. До йонних діелектриків належать йонні кристали, наприклад сульфат міді, хлорид натрію. Діелектрична проникність ε йонних кристалічних діелектриків має значення одиниці або десятків одиниць.
Значення ε звичайних діелектриків мало залежить від температури, оскільки для них характерна здебільшого індукційна поляризація, яка реалізується завдяки зміщенню електронних оболонок у молекулах. Зі зростанням температури діелектрична проникність таких діелектриків зазвичай знижується.
Окрему специфічну групу діелектриків складають сегнетоелектрики. До них належать такі кристалічні діелектрики, як сегнетова сіль NaKC4H4O6∙4H2O, титанат барія BaTiO3 та інші. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків сильно залежить від температури, є функцією напруженості зовнішнього електричного поля і може сягати декількох тисяч одиниць (ε ≈ 103 … 104).
У певному діапазоні температур, що називаються полярною фазою, такі діелектрики спонтанно поляризовані (мають дипольний момент одиниці об’єму, відмінний від 0) за відсутності зовнішнього електричного поля. Однак за певної температури відбувається фазовий перехід другого роду, що супроводжується зміною симетрії кристалічної структури таких діелектриків. Вони переходять у неполярну фазу, де спонтанна поляризація відсутня. Температура переходу Tk називається діелектричною точкою Кюрі. Серед загальних властивостей сегнетоелектриків варто відзначити нелінійну залежність діелектричної проникності ε та поляризованості матеріалу від напруженості електричного поля, а також явище діелектричного гістерезису. Все це є характерним для полярної фази.
Експериментально визначивши діелектричну проникність діелектрика за різних температур, можна дійти висновку про те, чи належить цей діелектрик до сегнетоелектриків, та, якщо так, визначити його діелектричні точки Кюрі.
Для визначення діелектричної проникності зразка діелектрика його слід розмістити між обкладинок вимірювального конденсатора, виміряти ємність вимірювального конденсатора та розрахувати діелектричну проникність за такими формулами.
Для плаского круглого зразка:
, (1)
де С – ємність вимірювального конденсатора, Ф;
d – відстань між обкладинками вимірювального конденсатора, м;
ε0 – електрична стала, ε0 = 8,85∙10-12Ф/м;
D – діаметр конденсатора;
π – відношення довжини кола до його діаметру, π = 3,14.
Для плаского прямокутного зразка:
, (2)
де a та b – відповідно довжина та ширина вимірювального конденсатору, м.
Щоб визначити температурну залежність діелектричної проникності діелектрика, вимірювальний конденсатор з його зразком слід помістити до термостату й вимірювати ємність вимірювального конденсатора за різних температур з подальшим обчисленням діелектричної проникності за виразами (1) та (2).
Метою практичної роботи є засвоєння методики отримання залежностей діелектричної проникності зразків діелектриків з використанням спеціального обладнання та ПК.
Хід роботи
- Створіть у математичних таблицях Excel таблиці результатів у кількості, що дорівнює кількості діелектричних зразків.
- За допомогою штангенциркуля виміряйте геометричні розміри діелектричних зразків.
- Встановіть діелектричний зразок у касеті термостату, для чого:
– оцініть стан поверхні зразку на наявність вологи, забруднень, окиснення електродів та в разі необхідності очистіть їх;
– витягніть касету з робочої камери термостату, попередньо вивільнивши затискачі її кріплення;
– розмістіть зразок діелектрика на основу касети та закріпіть його затискними гвинтами;
– вставте касету в робочу камеру термостату та закріпіть її затискачами.
- З’єднайте вихідний шнур касети термостату з вимірювальними гніздами вимірювача RLC.
- Увімкніть термостат до мережі 220 В, 50 Гц та увімкніть вимикач «Сеть» на його передній панелі.
- Витримайте термостат увімкненим протягом 10 хвилин.
- Увімкніть вимірювач RLC.
- Виконайте вимірювання ємності за температури навколишнього середовища, для чого:
– для увімкнення режиму регулювання натисніть кнопку «Измер» на передній панелі термостату та виміряйте значення температури за цифровим індикатором;
– встановіть необхідну частоту вимірювальної напруги на вимірювачі RLC та оберіть необхідний діапазон та схему заміщення;
– виконайте вимірювання ємності за відповідним індикатором вимірювача.
- За допомогою кнопок «Установка–» та «Установка+» задайте потрібну температуру нагріву термостату на цифровому індикаторі.
- Контролюйте нагрів термостату до заданої температури за станом світлодіодних індикаторів «Меньше», «Норма», «Больше». Коли засвітиться світлодіод «Норма» (паралельно прозвучить відповідний звуковий сигнал), зачекайте 2–3 хв, щоб забезпечити сталий температурний режим всередині камери термостату. Після цього проведіть вимірювання ємності.
- Здійсніть ряд вимірів ємності за різних температур у порядку їхнього збільшення з інтервалом у 2 градуси. При наближенні температури до очікуваного значення точки Кюрі здійснюйте вимірювання з інтервалом в 1 градус (для зразків сегнетоелектриків).
- Проведіть аналогічні вимірювання в порядку зменшення температур.
Після цього проведіть вимірювання ємності.Аналіз даних
- Інструментами таблиць Excel для кожного значення електричної ємності в таблиці розрахуйте значення діелектричної проникності за виразами (1) та (2).
- Побудуйте графіки залежності діелектричної проникності від температури
- За отриманими значеннями діелектричної проникності та її температурної залежності дійдіть висновків, до яких класів належать випробувані діелектрики.
Таблиця результатів
| t, °С | 15 | 17 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 28 | 30 |
| С, пФ | ||||||||||||
| ε |
Дивитися що таке «діелектрична проникність» в інших словниках.
Відносна діелектрична проникність
Відносна діелектрична проникність середовища ε — безрозмірна фізична величина, що характеризує властивості ізолюючої (діелектричної) середовища. Пов’язана з ефектом поляризації діелектриків під дією електричного поля (і з характеризує цей ефект величиною діелектричної сприйнятливості середовища). Величина ε показує, у скільки разів сила взаємодії двох електричних зарядів в середовищі менше, ніж у вакуумі. Відносна діелектрична проникність повітря і більшості інших газів в нормальних умовах близька до одиниці (в силу їх низької щільності). Для більшості твердих або рідких діелектриків відносна діелектрична проникність лежить в діапазоні від 2 до 8 (для статичного поля). Діелектрична постійна води в статичному полі досить висока — близько 80. Великі її значення для речовин з молекулами, що володіють великим електричним диполем. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків становить десятки і сотні тисяч.
Практичне застосування
Діелектрична проникність діелектриків є одним з основних параметрів при розробці електричних конденсаторів.
Використання матеріалів з високою діелектричної проникністю дозволяють істотно знизити фізичні розміри конденсаторів.
Параметр діелектричної проникності враховується при розробці друкованих плат. Значення діелектричної проникності речовини між шарами в поєднанні з його товщиною впливає на величину природної статичної ємності шарів харчування, а також істотно впливає на хвильовий опір провідників на платі.
Залежність від частоти
Слід зазначити, що діелектрична проникність в значній мірі залежить від частоти електромагнітного поля. Це слід завжди враховувати, оскільки таблиці довідників зазвичай містять дані для статичного поля або малих частот аж до декількох одиниць кГц без вказівки даного факту. У той же час існують і оптичні методи отримання відносної діелектричної проникності за коефіцієнтом заломлення за допомогою еліпсометрія і рефрактометрів. Отримане оптичним методом (частота 10 14 Гц) значення буде значно відрізнятися від даних в таблицях.
Розглянемо, наприклад, випадок води.
У разі статичного поля (частота дорівнює нулю), відносна діелектрична проникність при нормальних умовах приблизно дорівнює 80. Це має місце аж до інфрачервоних частот. Починаючи приблизно з 2 ГГц ε r починає падати. В оптичному діапазоні ε r становить приблизно 1,8. Це цілком відповідає факту, що в оптичному діапазоні показник заломлення води дорівнює 1,33. У вузькому діапазоні частот, званому оптичним, діелектричне поглинання падає до нуля, що власне і забезпечує людині механізм зору в земній атмосфері, насиченою водяною парою. З подальшим зростанням частоти властивості середовища знову змінюються.
Значення діелектричної проникності для деяких речовин
| речовина | Хімічна формула | умови вимірювання | Характерне значення ε r |
|---|---|---|---|
| алюміній | Al | 1 кГц | -1300 + 1,3Шаблон: Ei |
| срібло | Ag | 1 кГц | -85 + 8Шаблон: Ei |
| вакуум | — | — | 1 |
| повітря | — | Нормальні умови, 0,9 МГц | 1,00058986 ± 0,00000050 |
| Вуглекислий газ | CO 2 | нормальні умови | 1,0009 |
| тефлон | — | — | 2,1 |
| нейлон | — | — | 3,2 |
| поліетилен | [СН 2-СН 2 -] n | — | 2,25 |
| полістирол | [СН 2-С (С 6 Н 5) Н] n | — | 2,4-2,7 |
| каучук | — | — | 2,4 |
| бітум | — | — | 2,5-3,0 |
| сірковуглець | CS 2 | — | 2,6 |
| парафін | З 18 Н 38 — З 35 Н 72 | — | 2,0-3,0 |
| папір | — | — | 2,0-3,5 |
| електроактивні полімери | − | − | 2-12 |
| ебоніт | (C 6 H 9 S) 2 | − | 2,5-3,0 |
| Плексиглас (оргскло) | — | — | 3,5 |
| кварц | SiO 2 | — | 3,5-4,5 |
| Діоксид кремнія | SiO 2 | − | 3,9 |
| Бакеліт | — | — | 4,5 |
| бетон | − | − | 4,5 |
| Фарфор | − | − | 4,5-4,7 |
| Скло | − | − | 4,7 (3,7-10) |
| Склотекстоліт FR-4 | — | — | 4,5-5,2 |
| Гетінакс | — | — | 5-6 |
Діелектрична проникність діелектрична проникність
величина ε, що показує, у скільки разів сила взаємодії двох електричних зарядів в середовищі менше, ніж у вакуумі.
В ізотропному середовищі ε пов’язана з діелектричної сприйнятливістю χ співвідношенням: ε = 1 + 4π χ. Діелектрична проникність анізотропного середовища — тензор. Діелектрична проникність залежить від частоти поля; в сильних електричних полях Діелектрична проникність починає залежати від напруженості поля.
ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ
ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ, безрозмірна величина e, що показує, у скільки разів сила взаємодії F між електричними зарядами в даному середовищі менше їх сили взаємодії F o в вакуумі:
e = F о / F.
Діелектрична проникність показує, у скільки разів поле послаблюється діелектриком (см. діелектриків), Кількісно характеризує властивість діелектрика поляризуватися в електричному полі.
Значення відносної діелектричної проникності речовини, що характеризує ступінь його поляризуемости, визначається механізмами поляризації (см. ПОЛЯРИЗАЦІЯ). Однак величина значною мірою залежить і від агрегатного стану речовини, так як при переходах з одного стану в інший істотно змінюється щільність речовини, його в’язкість і изотропность (см.
изотропией).
Діелектрична проникність газів
Газоподібні речовини характеризуються дуже малою щільністю внаслідок великих відстаней між молекулами. Завдяки цьому поляризація всіх газів незначна і діелектрична проникність їх близька до одиниці. Поляризація газу може бути чисто електронної або дипольної, якщо молекули газу полярні, однак і в цьому випадку основне значення має електронна поляризація. Поляризація різних газів тим більше, чим більше радіус молекули газу, і чисельно близька до квадрату коефіцієнта заломлення для цього газу.
Залежність газу від температури і тиску визначається числом молекул в одиниці об’єму газу, яке пропорційно тиску і обернено пропорційно абсолютній температурі.
У повітря в нормальних умовах e = 1,0006, а її температурний коефіцієнт має значення близько 2. 10 -6 К -1.
Діелектрична проникність рідких діелектриків
Рідкі діелектрики можуть складатися з неполярних або полярних молекул. Значення e неполярних рідин визначається електронної поляризацією, тому воно невелике, близько до значення квадрата заломлення світла і зазвичай не перевищує 2,5.
Залежність e неполярной рідини від температури пов’язана зі зменшенням числа молекул в одиниці об’єму, т. Е. Зі зменшенням щільності, а її температурний коефіцієнт близький до температурного коефіцієнту об’ємного розширення рідини, але відрізняється знаком.
Поляризація рідин, що містять дипольні молекули, визначається одночасно електронної та дипольно-релаксаційної складовими. Такі рідини мають тим більшою діелектричної проникністю, чим більше значення електричного моменту диполів (см. ДИПОЛЬ) і чим більше число молекул в одиниці об’єму. Температурна залежність у разі полярних рідин носить складний характер.
Діелектрична проникність твердих діелектриків
У твердих тілах може приймати самі різні числові значення відповідно до різноманітністю структурних особливостей твердого діелектрика. У твердих діелектриках можливі всі види поляризації.
Найменше значення e мають тверді діелектрики, що складаються з неполярних молекул і володіють тільки електронної поляризацією.
Тверді діелектрики, що представляють собою іонні кристали з щільною упаковкою частинок, мають електронної та іонної поляризациями і мають значення e, що лежать в широких межах (e кам’яної солі — 6; e корунду — 10; e рутилу — 110; e титаната кальцію — 150).
e різних неорганічних стекол, що наближаються за будовою до аморфним діелектриків, лежить в порівняно вузьких межах від 4 до 20.
Полярні органічні діелектрики мають в твердому стані дипольно-релаксаційної поляризацією. e цих матеріалів у великій мірі залежить від температури і частоти прикладеної напруги, підкоряючись тим же закономірностям, що і у дипольних рідин.
Відносна діелектрична проникність
Відносна діелектрична проникність середовища ε — безрозмірна фізична величина, що характеризує властивості ізолюючої (діелектричної) середовища. Пов’язана з ефектом поляризації діелектриків під дією електричного поля (і з характеризує цей ефект величиною діелектричної сприйнятливості середовища).
Величина ε показує, у скільки разів сила взаємодії двох електричних зарядів в середовищі менше, ніж у вакуумі. Відносна діелектрична проникність повітря і більшості інших газів в нормальних умовах близька до одиниці (в силу їх низької щільності). Для більшості твердих або рідких діелектриків відносна діелектрична проникність лежить в діапазоні від 2 до 8 (для статичного поля). Діелектрична постійна води в статичному полі досить висока — близько 80. Великі її значення для речовин з молекулами, що володіють великим електричним диполем. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків становить десятки і сотні тисяч.
Вимірювання
Відносна діелектрична проникність речовини ε r може бути визначена шляхом порівняння ємності тестового конденсатора з даним діелектриком (C x) і ємності того ж конденсатора у вакуумі (C o):
Практичне застосування
Діелектрична проникність діелектриків є одним з основних параметрів при розробці електричних конденсаторів. Використання матеріалів з високою діелектричної проникністю дозволяють істотно знизити фізичні розміри конденсаторів.
Ємність конденсаторів визначається:
де ε r — діелектрична проникність речовини між обкладинками, ε про — електрична постійна, S — площа обкладок конденсатора, d — відстань між обкладинками.
Параметр діелектричної проникності враховується при розробці друкованих плат. Значення діелектричної проникності речовини між шарами в поєднанні з його товщиною впливає на величину природної статичної ємності шарів харчування, а також істотно впливає на хвильовий опір провідників на платі.
Залежність від частоти
Слід зазначити, що діелектрична проникність в значній мірі залежить від частоти електромагнітного поля. Це слід завжди враховувати, оскільки таблиці довідників зазвичай містять дані для статичного поля або малих частот аж до декількох одиниць кГц без вказівки даного факту. У той же час існують і оптичні методи отримання відносної діелектричної проникності за коефіцієнтом заломлення за допомогою еліпсометрія і рефрактометрів.
Отримане оптичним методом (частота 10 14 Гц) значення буде значно відрізнятися від даних в таблицях.
Розглянемо, наприклад, випадок води. У разі статичного поля (частота дорівнює нулю), відносна діелектрична проникність при нормальних умовах приблизно дорівнює 80. Це має місце аж до інфрачервоних частот. Починаючи приблизно з 2 ГГц ε r починає падати. В оптичному діапазоні ε r становить приблизно 1,8. Це цілком відповідає факту, що в оптичному діапазоні показник заломлення води дорівнює 1,33. У вузькому діапазоні частот, званому оптичним, діелектричне поглинання падає до нуля, що власне і забезпечує людині механізм зору в земній атмосфері, насиченою водяною парою. З подальшим зростанням частоти властивості середовища знову змінюються. Про поведінку відносної діелектричної проникності води в діапазоні частот від 0 до 10 12 (інфрачервона область) можна прочитати на (англ.)
Примітки
Див. також
- Діелектрична проникність вакууму (електрична константа)
Значення діелектричної проникності для деяких речовин
| речовина | Хімічна формула | умови вимірювання | Характерне значення ε r |
|---|---|---|---|
| алюміній | Al | 1 кГц | -1300 + 1,3 × 10 14 i |
| срібло | Ag | 1 кГц | -85 + 8 × 10 12 i |
| вакуум | — | — | 1 |
| повітря | — | Нормальні умови, 0,9 МГц | 1,00058986 ± 0,00000050 |
| Вуглекислий газ | CO 2 | нормальні умови | 1,0009 |
| тефлон | — | — | 2,1 |
| нейлон | — | — | 3,2 |
| поліетилен | [СН 2-СН 2 -] n | — | 2,25 |
| полістирол | [СН 2-С (С 6 Н 5) Н] n | — | 2,4-2,7 |
| каучук | — | — | 2,4 |
| бітум | — | — | 2,5-3,0 |
| сірковуглець | CS 2 | — | 2,6 |
| парафін | З 18 Н 38 — З 35 Н 72 | — | 2,0-3,0 |
| папір | — | — | 2,0-3,5 |
| електроактивні полімери | − | − | 2-12 |
Діелектрична проникність середовища — фізична величина, що характеризує властивості ізолюючої (діелектричної) середовища і показує залежність електричної індукції від напруженості електричного поля.
Визначається ефектом поляризації діелектриків під дією електричного поля (і з характеризує цей ефект величиною діелектричної сприйнятливості середовища).
Розрізняють відносну і абсолютну діелектричні проникності.
Відносна діелектрична проникність ε є безрозмірною і показує, у скільки разів сила взаємодії двох електричних зарядів в середовищі менше, ніж у вакуумі. Ця величина для повітря і більшості інших газів в нормальних умовах близька до одиниці (в силу їх низької щільності). Для більшості твердих або рідких діелектриків відносна діелектрична проникність лежить в діапазоні від 2 до 8 (для статичного поля). Діелектрична постійна води в статичному полі досить висока — близько 80. Великі її значення для речовин з молекулами, що володіють великим електричним дипольним моментом. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків становить десятки і сотні тисяч.
Абсолютна діелектрична проникність в зарубіжній літературі позначається буквою, у вітчизняній переважно використовується поєднання ε ε 0 (\\ displaystyle ~ (\\ varepsilon) (\\ varepsilon) _ (0)), Де — електрична стала.
Абсолютна діелектрична проникність використовується тільки в Міжнародній системі одиниць (СІ), в якій індукція і напруженість електричного поля вимірюються в різних одиницях. В системі СГС необхідність у введенні абсолютної діелектричної проникності відсутня. Абсолютна діелектрична постійна (як і електрична постійна) має розмірність L -3 M -1 T 4 I². В одиницях Міжнародної системи одиниць (СІ): [ ε 0 (\\ displaystyle ~ (\\ varepsilon) _ (0))]= / .
енциклопедичний YouTube
1
/
5Взагалі кажучи, діелектрична проникність є тензором, що визначаються з наступних співвідношень (в запису використано угоду Ейнштейна):
D i = ε 0 ε i j E j (\\ displaystyle ~ D_ (i) = \\ varepsilon _ (0) \\ varepsilon _ (ij) E_ (j))
D = ε a E (\\ displaystyle ~ \\ mathbf (D) = (\\ boldsymbol (\\ varepsilon)) _ (a) \\ mathbf (E))
E = E 1 e 1 + E 2 e 2 + E 3 e 3 (\\ displaystyle ~ \\ mathbf (E) = E_ (1) \\ mathbf (e) _ (1) + E_ (2) \\ mathbf (e) _ (2) + E_ (3) \\ mathbf (e) _ (3)) — вектор напруженості електричного поля, D = D 1 e 1 + D 2 e 2 + D 3 e 3 (\\ displaystyle ~ \\ mathbf (D) = D_ (1) \\ mathbf (e) _ (1) + D_ (2) \\ mathbf (e) _ (2) + D_ (3) \\ mathbf (e) _ (3)) — вектор електричної індукції, ε a = ε 0 ((ε a) i j) (\\ displaystyle ~ (\\ boldsymbol (\\ varepsilon)) _ (a) = \\ varepsilon _ (0) ((\\ varepsilon _ (a)) _ (ij))) — тензор абсолютної діелектричної проникності. (i \\ omega t) \\ \\ Rightarrow \\ (\\ frac (\\ partial \\ mathbf (E)) (\\ partial t)) = i \\ omega \\ mathbf (E))Вимірювання
Відносна діелектрична проникність речовини ε r може бути визначена шляхом порівняння ємності тестового конденсатора з даним діелектриком (C x) і ємності того ж конденсатора у вакуумі (C o):
ε r = C x C 0. (\\ Displaystyle \\ varepsilon _ (r) = (\\ frac (C_ (x)) (C_ (0))).)
Практичне застосування
Діелектрична проникність діелектриків є одним з основних параметрів при розробці електричних конденсаторів. Використання матеріалів з високою діелектричної проникністю дозволяють істотно знизити фізичні розміри конденсаторів.
Ємність конденсаторів визначається:
C = ε r ε 0 S d, (\\ displaystyle C = \\ varepsilon _ (r) \\ varepsilon _ (0) (\\ frac (S) (d)),)
де ε r — діелектрична проникність речовини між обкладинками, ε про — електрична постійна, S — площа обкладок конденсатора, d — відстань між обкладинками.
Параметр діелектричної проникності враховується при розробці друкованих плат. Значення діелектричної проникності речовини між шарами в поєднанні з його товщиною впливає на величину природної статичної ємності шарів харчування, а також істотно впливає на хвильовий опір провідників на платі.
(i \\ omega t) \\ \\ Rightarrow \\ (\\ frac (\\ partial \\ mathbf (E)) (\\ partial t)) = i \\ omega \\ mathbf (E))
Що таке діелектрична проникність середовища
Ще в школі на уроках фізики викладач,розповідаючи про електричні явища, пояснював, що таке діелектрична проникність середовища. Надалі, якщо основна професія не пов’язана з електротехнікою, тема благополучно забувалася. У даній роботі ми згадаємо, що ж ховається за цим визначенням.
Зазвичай для пояснення терміна «діелектричнапроникність середовища »прийнято розглядати приклад з конденсатором, пластини якого плоскі. Уявімо найпростіший конденсатор, що знаходиться у вакуумі. Визначимо значення електричного заряду:
Qv = (U * S * Ev) / d,
де d — відстань між пластинами, U -напруга, S — площа пластини, Ev — діелектр.
-12 Фарад на метр.
Але в конденсаторах розділяє пластини середовищемможе виступати не тільки вакуум, але і будь-який інший діелектричний матеріал. Очевидно, що в цьому випадку діелектрична проникність середовища відрізняється від «Ev», тому й заряд змінюється. Якщо конденсатор підключений до джерела ЕРС, то значення заряду на пластинах стає рівним Qz. Діелектрична проникність матеріалу представляє собою відношення заряду пластин підключеного конденсатора Qz до заряду в разі вакууму Qv, тобто
E = Qz / Qv.
Очевидно, що розмірність відсутня. Живиться конденсатор споживає додаткову потужність від джерела.
Фактично, це відносна діелектричнапроникність середовища. Вона показує, у скільки разів зменшується інтенсивність взаємодії зарядів, розділених діелектриком, в порівнянні з пластинами в вакуумі. Також можна сказати, що це одна з характеристик матеріалу.
Якщо ж при накопиченні заряду на пластинах подача енергії припиняється, має місце інше явище. Знижується величина напруги і, як наслідок, падає напруженість електричного поля.
Чому?
Будь-який матеріал складається з атомів з обертовиминавколо ядра електронами. При появі електричного поля відбувається розосередження носіїв заряду в кожній молекулі згідно полярності зовнішнього впливу — виникає так звана поляризація, що формує диполь. Це електронний її вид. Сам матеріал може складатися як з полярних, так і неполярних молекул. У першому випадку молекула орієнтується згідно полю (напрузі), а так як диполі самопозиціонується, то відносна діелектрична проникність досить висока. Значення їх проникності часто перевищує 100 одиниць. У другому випадку (неполярні молекули) хоча завдяки дії поля диполі і утворюються, частина енергії витрачається на підтримання їх просторової конфігурації, тому проникність несуттєва і рідко перевищує 5 одиниць. Варто відзначити, що газоподібна речовина завжди має низький показник проникності через малу кількість молекул в одиниці об’єму, причому незалежно від їх природної структури.
Для більшості поширених діелектричнихматеріалів дані по проникності наводяться у відповідних таблицях, тому при виконанні розрахунків не виникає складнощів з визначенням потрібного значення.
Цікаво, що повітря має проникністю в 1 одиницю. Це пояснює, чому в конденсаторах використовують різні додаткові діелектричні прошарку — кераміка, слюда, парафін тощо. Всі ці матеріали, володіючи більш високою проникністю, збільшують значення накопичується на пластинах заряду. Іншими словами, ємність можна регулювати не тільки способом розташування пластин, а й розділяє їх матеріалом. Чемпіонами серед речовин з високою проникністю є кераміка (близько 80) і очищена від домішок вода (не менше 81).
P>
Диэлектрические свойства пищевых продуктов — обзор
3 Диэлектрические свойства пищевых продуктов
Диэлектрическая проницаемость или диэлектрические свойства пищевых продуктов описывают способность материала накапливать или рассеивать энергию электромагнитного излучения (Mudgett, 1985a). Диэлектрические свойства определяют отражение излучения от поверхности материала, а также передачу и поглощение излучения материалом. Комплексная диэлектрическая проницаемость или комплексная диэлектрическая проницаемость, , определяется как (von Hippel, 1954):
(3) = ɛ′ − jɛ ″
, где ɛ ′ — диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость, а ( ɛ ′) 0.
5 эквивалентно микроволновому показателю преломления, ɛ ″ — коэффициент диэлектрических потерь, который является мерой микроволновой поглощающей способности материала, а j — мнимая часть, используемая для расчета синусоидального поведения электромагнитных волн.
Диэлектрические свойства материала зависят от температуры и влажности. Доступны температурные зависимости диэлектрических постоянных и коэффициентов потерь некоторых пищевых продуктов (Bengtsson and Risman, 1971) и диэлектрические свойства при 2450 МГц некоторых избранных пищевых материалов, включая воду (Buffler, 1993; Yaghmaee and Durance, 2003).Как правило, при повышении температуры продукта от замороженного состояния до 0 ° C диэлектрическая постоянная и коэффициент потерь быстро увеличиваются. Затем, выше точки замерзания, диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь уменьшаются с повышением температуры. Однако по мере увеличения концентрации соли ионные эффекты могут компенсировать это уменьшение, и для образца с высокой концентрацией соли, такого как ветчина, диэлектрическая проницаемость увеличивается с 0 ° C до 60 ° C.
Диэлектрическая проницаемость пищевых продуктов имеет тенденцию к снижению по мере уменьшения содержания влаги.Было показано, что в условиях микроволнового нагрева коэффициент потерь для некоторых фруктов и овощей достигает небольшого, но значимого максимального значения при промежуточном уровне влажности (2,0–0,8 кг H 2 O / кг сухого вещества), в то время как диэлектрическая проницаемость уменьшается с уменьшением влажности относительно линейным образом (Funebo, 2000). Об этом максимуме ″ при промежуточном содержании влаги также сообщили Favreau et al. (1997) и Mudgett et al. (1980), которые предположили, что это связано с концентрацией солей.Фунебо (2000) предположил, что сдвиг частоты релаксации в сторону частоты микроволнового излучения является причиной наблюдаемого максимума в ɛ ″, поскольку максимальное количество микроволновой энергии преобразуется в тепло на частоте релаксации. Другие исследования диэлектрических свойств при разном содержании влаги отметили прямую зависимость между содержанием влаги и ″ (Sun et al.
, 1995; Tulasidas et al., 1995; Lian et al., 1997).
Как и другие формы излучения, микроволны могут передаваться, отражаться или поглощаться материалом, с которым они взаимодействуют.Поскольку микроволновая печь направлена на поверхность материала под прямым углом, часть энергии, отраженной от поверхности, в основном зависит от диэлектрической проницаемости ɛ ′. По мере увеличения ɛ ′ увеличивается и доля отраженной энергии. Энергия, которая не отражается от поверхности, передается в материал, где она продолжает свое распространение через материал, теряя энергию по мере поглощения (Mudgett, 1985b). Материалы с высоким коэффициентом потерь поглощают большую долю микроволновой мощности на единицу материала.Эти материалы могут не нагреваться или сушиться равномерно с использованием микроволновой энергии, поскольку микроволны не могут проникнуть внутрь. Глубина проникновения определяется как глубина, на которой доступная мощность снижается до 1 / e, или 36,8% от ее первоначальной мощности (Buffler, 1993).
Глубина проникновения обратно пропорциональна частоте микроволн; при той же влажности проникновение примерно в 2,7 раза выше на частоте 915 МГц по сравнению с 2450 МГц (Mudgett, 1985b). Следовательно, на более низких частотах более толстые материалы могут нагреваться с большей однородностью.
Для микроволн, которые падают на поверхность материала под углом, часть может отражаться под тем же углом. Оставшаяся энергия будет передана материалу под углом, обратно пропорциональным ( ɛ ′) 0,5 . Если некоторая энергия проникает через материал на противоположную сторону, часть этой энергии будет как отражаться внутрь, так и передаваться из материала. Это внутреннее отражение может частично отвечать за неравномерный нагрев, характерный для микроволновой обработки, поскольку эти внутренние волны могут создавать горячие точки в областях, где микроволновые отражения являются аддитивными.
% PDF-1.3
%
89 0 объект
>
endobj
xref
89 79
0000000016 00000 н.
0000001928 00000 н.
0000002870 00000 н.
0000003122 00000 н.
0000003186 00000 п.
0000003408 00000 н.
0000003522 00000 н.
0000003635 00000 н.
0000003768 00000 н.
0000003896 00000 н.
0000004074 00000 н.
0000004251 00000 п.
0000004374 00000 н.
0000004495 00000 н.
0000004636 00000 н.
0000004793 00000 н.
0000004951 00000 н.
0000005117 00000 н.
0000005284 00000 п.
0000005557 00000 н.
0000011620 00000 п.
0000011950 00000 п.
0000012393 00000 п.
0000012910 00000 п.
0000013602 00000 п.
0000014047 00000 п.
0000014088 00000 п.
0000020630 00000 п.
0000021059 00000 п.
0000021837 00000 п.
0000022359 00000 п.
0000022381 00000 п.
0000022455 00000 п.
0000022838 00000 п.
0000023145 00000 п.
0000023320 00000 н.
0000023567 00000 п.
0000023881 00000 п.
0000024047 00000 п.
0000026466 00000 н.
0000026931 00000 п.
0000027869 00000 п.
0000027891 00000 п.
0000028811 00000 п.
0000028833 00000 п.
0000028918 00000 п.
0000029227 00000 п.
0000029428 00000 п.
0000029752 00000 п.
0000030009 00000 п.
0000030929 00000 п.
0000030951 00000 п.
0000031866 00000 п.
0000031888 00000 п.
0000032014 00000 п.
0000032883 00000 п.
0000033213 00000 п.
0000033438 00000 п.
0000033757 00000 п.
0000033979 00000 п.
0000034266 00000 п.
0000034546 00000 п.
0000035026 00000 п.
0000035266 00000 п.
0000036046 00000 п.
0000036160 00000 п.
0000037055 00000 п.
0000037077 00000 п.
0000037849 00000 п.
0000037871 00000 п.
0000038794 00000 п.
0000038816 00000 п.
0000041491 00000 п.
0000041570 00000 п.
0000042035 00000 п.
0000042842 00000 п.
0000050754 00000 п.
0000002079 00000 н.
0000002848 00000 н.
трейлер
]
>>
startxref
0
%% EOF
90 0 объект
>
endobj
166 0 объект
>
ручей
Hb«f`g`g` Ā
(PDF) Диэлектрические свойства продуктов питания
Tıraş et al./ Turkish Journal of Agriculture — Food Science and Technology, 7 (11): 1805-1816, 2019
1814
Al Faruq A, Zhang M, Fan D. 2018. Моделирование обезвоживания
и анализ диэлектрических свойств ультразвука и
микроволновая печь комбинированная вакуумная жарка ломтиков яблока.
Сушка
Technol., 37: 409-423.
Al Faruq A, Zhang, M, Bhandari, B, Azam S.M.R, Khatun,
M.H.A. 2019. Новое понимание того, как диэлектрические свойства фруктов и овощей
влияют на индуцированное нагреванием обезвоживание:
.Технология сушки, 37 (14):
1780-1792.
Al-Muhtaseb AH, Hararah MA, Megahey EK, McMinn WAM,
Magee TRA. 2010. Изотермы адсорбции влаги
мадеры, приготовленной в микроволновке. LWT-Food Sci Technol.,
43 (7): 1042-1049
Alfai B, Wang S, Tang J, Rasco B, Sablani S, Jiao Y. 2013.
Радиочастотная дезинсекция сухофруктов:
диэлектрических свойств. Food Sci Technol., 50 (2): 746-754.
Атес К, Озен С, Карлак ХФ. 2017. Анализ свежести яблока
и картофеля с использованием диэлектрических свойств в диапазоне частот СВЧ
. Прогресс в 2017 г.
Симпозиум по исследованиям в области электромагнетизма — Весна (PIERS),
, Санкт-Петербург, Россия, 22–25 мая.
Auksornsri T, Tang J, Tang Z, Lin H, Songsermpong S. 2018.
Диэлектрические свойства модельных пищевых систем для риса, соответствующие процессу стерилизации в микроволновой печи
.Иннов. Food Sci. Emerg.
Технол., 98-105.
Барба А.А., Ламберти Г. 2013. Диэлектрические свойства ананаса
в зависимости от температуры и содержания воды. J Food Sci
Technol., 48 (6): 1334-1338.
Басаран П., Басаран А, Раско Б.А. 2010. Диэлектрические свойства
мышц курицы и рыбы, обработанных микробной трансглутаминазой
. Food Chem., 120 (2): 361–370.
Бхаргава Н., Джайн Р., Джоши И., Шарма К.С. 2013.Диэлектрические
свойства злаков на СВЧ и их биохимическая оценка
. ИДЖЕСТ., 2 (3): 369-374.
Bohigas X, Tejada J. 2010. Диэлектрическая характеристика
алкогольных напитков и растворов этанола в воде под воздействием микроволнового излучения
в диапазоне 1-20 ГГц. Food Res Int.,
43 (6): 1607-1613.
Burubai B, Meindinyo ROK. 2013. Влияние влажности и колебаний частоты
на диэлектрические свойства семян африканского мускатного ореха
(Monodora myristica).World J Agric Sci.,
9 (1): 80-85.
Cao H, Fan D, Jiao X, Huang J, Zhao J, Yan B, Zhou W, Zhang
W, Ye W, Zhang H. 2019. Важность толщины в
Электромагнитные свойства
и характеристики геля сурими
во время микроволнового нагрева. J Food Eng., 248: 80-88
Cemeroglu B. 2005. Основные операции в пищевой инженерии.
Анкара, Турция. Başkent Klişe Press, (турецкий). ISBN:
6056729607
Чен Дж., Питчай К., Бирла С., Гонсалес Р., Джонс Д., Суббиа Дж.2013.
Температурно-зависимые диэлектрические и термические свойства геля сывороточного протеина
и картофельного пюре. Biol Syst Eng: Papers
and Publications, pp. 326.
Chen J, Lau SK, Boreddy SR, Subbiah J. 2019. Моделирование радиочастоты
частотного нагрева порошка яичного белка, непрерывно перемещающегося
на конвейерной ленте.
J. Food Eng., 262: 109-120.
Конг Х, Лю Ф, Тан З., Сюэ С. 2012. Диэлектрические свойства моря
огурцов (Stichopus japonicus) и модельные продукты на частоте 915
МГц.J Food Eng., 109 (3): 635-639
Curet S, Rouaud O, Boillereaux L. 2014. Оценка диэлектрических свойств
пищевых материалов при микроволновом отпуске и
нагревании. Food Bioproc Tech., 7: 371-384.
Даг Д., Сингх Р.К., Конг Ф. 2019. Диэлектрические свойства, влияние геометрии
и изменения качества цельного обезжиренного сухого молока
и их смесей, связанные с радиочастотным нагревом. J
Food Eng., 261: 40-50.
Da Silva AC, Sarturi HJ, L Dall’Oglio E, Soares MA, T de Sousa
P, de Vasconcelos LG, Kuhnen CA. 2016. Микроволновая сушка
и обеззараживание семян бразильского ореха. Food Control, 70: 119-
129.
Dev SRS, Raghavan GSV, Gariepy Y. 2008. Диэлектрические свойства
яичных компонентов и микроволновый нагрев для пастеризации яиц в скорлупе
.
J. Food Eng., 86 (2): 207-214.
Franco AP, Tadini CC, Gut JAW.2013. Диэлектрические свойства
смоделированной зеленой кокосовой воды от 500 до 3000 МГц при температуре
от 10 до 80 ° C. В: (Ежегодное собрание Айше,
6 ноября 2013 г.). Университет Сан-Паулу / НАПАН, Центр исследований пищевых продуктов
и питания, Сан-Паулу, Бразилия.
Franco AP, Tadini CC, Gut JAW. 2017. Прогнозирование поведения диэлектрика
апельсина и других соков цитрусовых на частотах 915 и
2450 МГц. Int. J. Food Prop., 1468-1488.
Ганем TH. 2010.
на диэлектрические свойства жидких пищевых продуктов влияет влажность и температура. Misr J Agric Eng.,
27 (2): 688-698.
Гизе Дж. 1992. Достижения в микроволновой обработке пищевых продуктов. Продовольствие
Technol., 46 (9): 118-123.
Gonzalez-Monroy AD, Kataria TK, Olvera-Cervantes JL,
Corona-Chavez A, Ozuna C, Rodriguez-Hernandez G, Sosa-
Morales ME. 2018. Диэлектрические свойства напитков
(тамаринд и зеленый), относящиеся к пастеризации в микроволновой печи
.J. Food Sci., 1-7.
Гуань Д., Ченг М., Ван Й, Тан Дж. 2004. Диэлектрические свойства
картофельного пюре, относящиеся к процессам пастеризации и стерилизации с использованием микроволн и радио.
частот. J Food
Sci., 69 (1): 30-37.
Gunasekaran S, Yang HW. 2007. Влияние экспериментальных параметров
на распределение температуры при непрерывном и
импульсном микроволновом нагреве. J. Food Sci., 78 (4): 1452-1456.
Гуо В, Тивари Дж, Тан Дж, Ван С.2008. Частота, влажность
и температурно-зависимые диэлектрические свойства муки нута
. Биосист Инж., 101: 217–224.
Гуо В., Ван С., Тивари Дж., Джонсон Дж. А., Тан Дж. 2010a.
Диэлектрические свойства
бобовой муки, зависящие от температуры и влажности, связанные с диэлектрическим нагревом. LWT-Food
Sci Technol., 43 (2): 193-201.
Го В., Чжу Х, Лю Х., Юэ Р., Ван С. 2010b. Влияние концентрации и свежести молока
на свойства микроволнового диэлектрика
.J. Food Eng., 99 (3): 344-350.
Го В, Лю И, Чжу Х, Ван С. 2011a. Температурно-зависимые
диэлектрические свойства меда связаны с диэлектрическим
нагревом. J. Food Eng., 102 (3): 209-216.
Го В, Лю И, Чжу Х, Ван С. 2011b. Диэлектрические свойства меда
с добавлением сахарозного сиропа. J. Food Eng., 107 (3): 1-7.
Гуо В., Чжу Х, Нельсон С.О., Юэ Р., Лю Х., Лю Ю. 2011c. Зрелость
влияет на диэлектрические свойства яблок от 10 до 4500
МГц.LWT-Food Sci Technol., 44 (1): 224-230.
Herve AG, Tang J, Luedeckeb L, Feng H. 1998. Диэлектрические свойства
свойств творога с использованием микроволн. J Food Eng.,
37 (4): 389-410.
Хуанг З., Датта А.К., Ван С. 2018. Моделирование радиочастоты
нагрев гранулированных пищевых продуктов: индивидуальная частица по сравнению с эффективным подходом
. J. Food Eng., 234: 24-40.
Цзяо С., Джонсон Дж., Тан Дж., Тивари Дж., Ван, С. 2011. Диэлектрические свойства
свойства вигнового долгоносика, черноглазого гороха и маша
бобов в отношении развития радиочастотного тепла
обработки.Биосист Инж., 108 (3): 280-291.
Кент М. 1987. Электрические и диэлектрические свойства пищевых продуктов
Материалы. Библиография и табличные данные. А СТОИМОСТЬ
производство
90бис. Издатели науки и техники.
Хорнчерч.
Konak Üİ, Certel M, Helhel S. 2009. Применение микроволн в пищевой промышленности
. Электронный журнал пищевых технологий, 4 (3): 20-31.
Кристиаван М., Соболик В., Клима Л., Аллаф К. 2011. Влияние расширения
за счет мгновенного контролируемого падения давления на диэлектрические свойства
фруктов и овощей.J Food Eng.,
102 (4): 361-368.
Kubo MTK, Curet S, Augusto PED, Boillereaux L. 2018.
Искусственная нейронная сеть для прогнозирования свойств диэлектрика
, относящихся к микроволновой обработке фруктового сока. J.
Food Process Eng., 12815: 1-16.
Критический обзор применения радиочастотного (RF) нагрева в пищевой промышленности | Качество и безопасность пищевых продуктов
Абстрактные
Традиционная термическая обработка в пищевой промышленности основана на передаче тепла путем теплопроводности и конвекции.Альтернативой этой традиционной термической обработке является радиочастотный (RF) нагрев, при котором электромагнитная энергия передается непосредственно нагретому продукту. Более длинные волны РЧ по сравнению с микроволнами способны проникать дальше в пищевые продукты, что приводит к более равномерному нагреву. Здесь представлен обзор высокочастотного нагрева для пищевой промышленности с акцентом на научные принципы, преимущества и применение радиочастотного излучения. Применение высокочастотного нагрева включает бланширование, размораживание, сушку и обработку пищевых продуктов.ВЧ-нагрев представляет собой значительный потенциал для дополнительных исследований и передачи технологий в пищевую промышленность. Компьютерное моделирование можно использовать для улучшения однородности ВЧ нагрева. Более того, равномерность нагрева во вращающихся яйцах выше, чем в статических яйцах. RF также использовался для бланширования овощей, чтобы увеличить содержание аскорбиновой кислоты и достичь наивысшего уровня витамина C. Использование технологии размораживания позволило улучшить качество обработанных продуктов. Интерес к методу высокочастотной сушки вызывает повышенный интерес из-за однородности нагрева, большей глубины проникновения и более стабильного контроля температуры продукта.Обработанное RF мясо имело улучшенное качество и коагуляцию с приемлемым вкусом и внешним видом. Кроме того, радиочастотное нагревание используется при пастеризации йогурта и уничтожении микроорганизмов в жидких и твердых пищевых продуктах.
Введение
Термическая обработка — очень распространенный метод в пищевой промышленности для уничтожения микроорганизмов и подавления активности вредных ферментов с целью обеспечения безопасности пищевых продуктов и продления срока хранения продукта. Термическая обработка включает в себя передачу тепла посредством теплопроводности и конвекции, что может продлить время, необходимое для нагрева, в зависимости от пищевой матрицы.Эти ограничения могут привести к значительным физико-химическим изменениям в термически обработанных пищевых продуктах, что может привести к изменению сенсорных и текстильных свойств, а также может привести к снижению пищевой ценности (Siefarth et al., 2014).
Исследователи занимались поиском технологий, альтернативных традиционной термической обработке. За последние несколько десятилетий в научных публикациях были описаны новые технологии, но большинство из этих новых методов еще не использовались в пищевой промышленности.Использование радиочастоты (RF; от 10 до 50 МГц) является одним из наиболее важных и многообещающих современных методов обогрева. RF как источник тепла был впервые описан в середине 20 века и использовался для плавления замороженных продуктов, а также для обработки и консервирования мясных продуктов (Sanders, 1966). Электромагнитный нагрев характеризуется своей способностью генерировать тепло внутри пищевого материала за счет поляризации направления полярных диодов, таких как вода или принудительное движение ионов. Таким образом преодолеваются ограничения, налагаемые обычным нагревом.Процесс электромагнитного нагрева относительно быстр и происходит за счет передачи электромагнитной энергии непосредственно на продукт. Тепло генерируется внутри продукта без необходимости теплопередачи, в отличие от обычного нагрева (Datta and Davidson, 2000).
Микроволновое нагревание также использовалось при производстве пищевых продуктов. Этот метод нагрева улучшает сенсорные, химические и физические свойства пищевого материала, подвергающегося воздействию электромагнитных волн, по сравнению с обычным нагревом.Однако исследователи обнаружили, что используемые в микроволновой технологии частоты около 2,45 кГц имеют ограниченную способность проникать в большие объемы пищи. Например, глубина проникновения была измерена на уровне 1 см для микроволн на частоте 2,35 кГц в молоке или йогуртовых продуктах, тогда как Felke et al. (2009) показали, что глубина проникновения составляла около 20 см при использовании РЧ на частоте 27,12 МГц, что привело к более равномерному нагреву пищевого материала и большему диаметру воздействия. Предыдущие исследования показали, что более длинные волны, используемые при радиочастотном нагреве (RF-H), не приводят к каким-либо помехам или негативным эффектам внутри еды, тогда как использование микроволн привело к образованию холодных и горячих точек внутри продуктов ( Piyasena et al., 2003). Таким образом, в этом обзоре будут представлены общие сведения о научном принципе RF-H и применении RF-H в пищевой промышленности.
Научный принцип RF-H
RF — это электромагнитные волны в диапазоне от 10 до 300 ГГц (Orfeuil, 1987), как показано на рисунке 1, но диапазон частот, используемых для промышленного обогрева, находится между 10 и 50 МГц (Tang et al., 2005). Кроме того, разрешенные частоты для медицинских, научных и промышленных приложений — 13.56, 27,12 и 40,68 МГц соответственно (Marra et al., 2008). Более короткие длины волн связаны с более высокими частотами, как показано в следующем уравнении (Awuah et al., 2015):
Рисунок 1.
Рисунок 1.
где f — частота электромагнитной волны (Гц), λ — длина волны (м), а c — скорость света (м / с) ( c = 3 × 10 8 м / с). RF имеет более низкую частоту и большую длину волны (рисунок 1) и включает диапазон радиолокатора.
RF также называют нагревом диэлектрических потерь и диэлектрическим нагревом. RF-H классифицируется как новый метод термической обработки в области пищевой инженерии (Jiao et al., 2011). Поскольку электрические изоляторы пищевых материалов ограничены, электрическая энергия рассеивается и накапливается пищей, когда она помещена в электромагнитное поле. Для описания поглощения этой энергии используются волновые уравнения Максвелла. Связанная вода в пище играет важную роль в диэлектрическом нагреве в диапазоне частот от 20 до 30 000 МГц (Wang et al., 2003).
Относительная комплексная диэлектрическая проницаемость рассчитывается с использованием следующего уравнения:
где ε * — относительная комплексная диэлектрическая проницаемость, составная из диэлектрической проницаемости (ε), а εo — диэлектрическая проницаемость в свободном пространстве, равная 8,8542 × 10 −12 F / м.
Эти факторы ответственны за диэлектрический нагрев. Диэлектрическая постоянная является важным фактором, который используется для измерения способности пищевых продуктов накапливать электромагнитную энергию и, таким образом, меры свойства пищевого материала рассеивать электромагнитную энергию.Уравнение (2) описывает взаимосвязь между относительной комплексной диэлектрической проницаемостью, коэффициентом диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью,
, где j = -1 и ε ′ ′ — коэффициент диэлектрических потерь.
Чтобы описать коэффициент рассеяния (мощность рассеивания) материала, тангенс угла потерь используется следующим образом (Piyasena et al., 2003):
Когда продукты (содержащие полярные молекулы, такие как вода) подвергаются воздействию переменного электрического поля. происходит диэлектрический нагрев. Полярные молекулы имеют электрические дипольные моменты, а центры отрицательного и положительного заряда не выравниваются, когда пища помещается в электрическое поле, а полярные молекулы выравниваются по электрическому полю.Поляризация возникает из-за миграции положительных и отрицательных зарядов к разным концам молекул (рис. 2). Полярные молекулы также непрерывно вращаются, выравниваясь с изменяющимся полем в переменном электрическом поле. Этот процесс называется вращением диполя (Marra et al., 2008). Во время этого процесса трение между молекулами преобразует электромагнитную энергию в тепло, поэтому температура обрабатываемых материалов повышается. Однако движение диссоциативных ионов в пищевых продуктах, соответствующее приложенному переменному электрическому полю, имеет то же направление.Следовательно, колебательное движение ионов (вперед и назад) в материале генерирует тепло из-за трения (Buffler, 1993). Этот механизм известен как ионная проводимость. Дипольное вращение и ионная проводимость являются основными доминирующими методами в RF-H (Ryynanen, 1995). Температура и частота играют важную роль в обоих этих механизмах из-за увеличения движения молекул за счет увеличения частоты и температуры. Система RF-H состоит из источника переменного напряжения, конденсатора и двух электродов, каждый из которых соединен для образования электрической цепи для системы диэлектрического нагрева, как показано на рисунке 3.
Рисунок 2.
Пространственный заряд и диполярная поляризация в переменном электрическом поле на радиочастотах, адаптировано из (Orsat and Raghavan, 2005).
Рисунок 2.
Объемный заряд и диполярная поляризация в переменном электрическом поле на радиочастотах, адаптировано из (Orsat and Raghavan, 2005).
Рисунок 3.
Принципиальная схема системы радиочастотного обогрева (RF-H).
Рисунок 3.
Принципиальная схема системы радиочастотного обогрева (RF-H).
Емкость конденсатора можно рассчитать по следующему уравнению:
, где d — расстояние между электродами (м), а C — емкость (фарады).
Скорость повышения температуры и рассеиваемой мощности при нагреве диэлектрика можно рассчитать по следующим уравнениям (Orsat and Raghavan, 2005):
, где dTdt — скорость повышения температуры (° C / с), P — мощность (Вт / м 3 ), c — удельная теплоемкость диэлектрического материала (Дж / кг.K), ρ — плотность (кг / м 3 ), f — частота (Гц), а E — значение коэффициента диэлектрических потерь (В / м).
Глубина проникновения мощности (dp) была рассчитана следующим образом (Buffler, 1993):
dp = c22πf {ε [1+ (ε ″ ε) 2−1]} 1/2.
(8)
Теплообмен происходит за счет теплопроводности внутри продукта, а конвекция на поверхности продукта и выделение тепла внутри продукта происходит за счет RF-H. Теплопередача в электромагнитном поле рассчитывается по следующему уравнению:
ρCp∂T∂t = ∇ (k∇T) + Q,
(9)
, где Q — плотность поглощения РЧ мощности, подаваемой в пищу при напряженность электрического поля.Q можно рассчитать как (Barber, 1983)
, где E — это напряженность электрического поля, которая определяется электромагнитным полем и на которую влияют диэлектрические свойства пищи, εoεr ′ ′ = ε′′, а r — относительная диэлектрическая проницаемость потерь энергии.
Уравнение (9) можно записать следующим образом:
ρCp∂T∂t = ∂∂x (k∂T∂x) + ∂∂y (k∂T∂y) + ∂∂z (k∂T∂ г) + Q.
(11)
Выделение тепла зависит от влажности и температуры в определенных местах x , y и z .
Математические модели играют важную роль в оптимизации продукта, параметров обработки и проектирования во время RF-H.
Время нагрева определяется следующим уравнением (Orfeuil, 1987):
, где Pv — максимальная мощность на единицу объема (Вт / м 2 ), ω — угловая частота (рад / с), ρ — среда. плотность (кг / м 3 ), Cp — удельная теплоемкость среды (Дж / кг. ° C), th — время нагрева.
Преимущества и недостатки RF-H
RF-H обладает множеством характеристик по сравнению с обычными теплообменниками и теплораспределителями.Очень важно, чтобы электроды не контактировали с пищей напрямую при использовании устройств RF-H, чтобы избежать образования джоулева нагрева (омического нагрева). Этот метод можно применять как к жидкой, так и к твердой пище. Кроме того, было показано, что длина волны RF (11 м на 27,12 МГц) больше, чем длина волны микроволнового излучения. Более того, из-за способности радиочастотного излучения проникать в пищу глубже, чем обычные микроволны, тепло генерируется внутри продукта и распределяется равномерно.Документально подтверждено, что строительство крупномасштабного RF-H проще и улучшает качество конечного продукта. Еще одно преимущество этой экологически чистой технологии — более высокая эффективность использования энергии (Rowley, 2001).
Недостатки RF-H
Как и большинство современных технологий, RF-H имеет некоторые недостатки, которые, по существу, ограничиваются снижением плотности мощности, о чем сообщили Джонс и Роули (1997). Кроме того, из-за своей высокой эффективности и качества продукции оборудование RF-H более дорогое по сравнению с оборудованием, используемым в традиционных системах отопления (Jones and Rowley, 1997).
Улучшение однородности RF-H с помощью компьютерного моделирования
Объемный и быстрый нагрев происходит при использовании RF-H. Коммерческое применение RF ограничено из-за неравномерного нагрева (неравномерного распределения температуры) в продукте при использовании RF-H (Fu, 2004). Есть много других факторов, которые оказывают важное влияние на однородность RF-H, такие как физические свойства, диэлектрические свойства, тепловые свойства, расстояние между обрабатываемым продуктом и электродами, химические свойства среды и инженерный дизайн устройств RF-H. (Фу, 2004).Неоднородность RF-H может привести к повреждению продукта и упаковки. Чтобы решить эту проблему, существует множество методов, используемых для улучшения однородности RF-H, таких как помещение продукта в горячий воздух, горячую воду или соленую воду (Harraz, 2007). Birla et al. (2008) использовали вращение для улучшения однородности RF-H. Wang et al. (2010) и Ling et al. (2016) использовали перемешивание и перемешивание контейнеров с продуктами между электродами. Существует еще один метод, используемый для улучшения однородности RF-H, который называется импульсным режимом (Hansen et al., 2006). Компьютерное моделирование можно использовать для повышения однородности RF-H путем разработки нескольких моделей для изучения различных факторов и методов для различных пищевых продуктов, таких как пшеничная мука (Gao et al., 2018), зерна пшеницы (Chen et al., 2015), соевые бобы ( Huang et al., 2015), мясо (Uyar et al., 2015) и сухой корм (Huang et al., 2016). Компьютерное моделирование используется для понимания новой стратегии тестирования, механизма, оптимизации параметров и определения наилучших условий обработки RF-H для конкретных пищевых продуктов (Huang et al., 2016).
Равномерность нагрева обработанной пищи может быть рассчитана с помощью следующего уравнения (Alfaifi et al., 2016):
UI = 1Vvol∫Vvol (T − Tav) 2Tav − Tinitial,
(15)
где Vvol — объем пищевого материала (м 3 ), Tav — средняя температура (° C), T — местная температура (° C), а меньшее значение UI соответствует наилучшей однородности RF-H. Когда значение UI равно нулю, распределение температуры в пищевом материале полностью равномерное.
Альфаифи и др. (2016) использовали компьютерные модели для улучшения однородности нагрева изюма, обработанного RF-H для борьбы с насекомыми. Равномерность нагрева была улучшена за счет закругления углов контейнеров и уменьшения острых краев на упаковках. Конфигурация электродов была изменена и после RF-H использовался нагнетательный воздух. Эти модификации позволили снизить разницу температур изюма примерно до 5 ° C. Кроме того, уменьшение длины электрода на 4 см меньше горизонтального размера прямоугольных контейнеров улучшило равномерность нагрева.
Dev et al. (2012) использовали моделирование RF-H в яичной скорлупе на частоте 27,12 МГц для изучения равномерности нагрева обработанных яиц и определения местоположения горячих и холодных точек, образовавшихся из-за неравномерного нагрева. Из рисунка 4 видно, что нагрев является неравномерным из-за образования горячих и холодных пятен внутри яичной скорлупы, потому что яйцо, ближайшее к электродам, нагревается быстрее, чем яйцо, находящееся дальше от электродов. На рисунках 4 и 5 показано, что неоднородность RF-H увеличивалась, когда воздушный зазор между яйцами и параллельными электродами уменьшался с 5 до 0.5 мм. С другой стороны, однородность нагрева во вращающихся яйцах выше, чем у статических яиц, как показано на Рисунке 6.
Рисунок 4.
Результаты моделирования распределения температуры (К) в статических яйцах в скорлупе (воздушный зазор между параллельными пластинчатыми электродами и яйцом составляет 5 мм) (Dev et al., 2012).
Рисунок 4.
Результаты моделирования распределения температуры (K) в статических яйцах в скорлупе (воздушный зазор между параллельными пластинчатыми электродами и яйцом составляет 5 мм) (Dev et al., 2012).
Рисунок 5.
Результаты моделирования распределения температуры (K) в статических яйцах в скорлупе (воздушный зазор между параллельными пластинчатыми электродами и яйцом составляет 0,5 мм) (Dev et al., 2012).
Рисунок 5.
Результаты моделирования распределения температуры (K) в статических яйцах в скорлупе (воздушный зазор между параллельными пластинчатыми электродами и яйцом составляет 0,5 мм) (Dev et al., 2012).
Рисунок 6.
Моделирование распределения температуры во вращающихся яйцах (воздушный зазор между параллельными пластинчатыми электродами и яйцами составляет 5 мм) (Dev et al., 2012).
Рисунок 6.
Моделирование распределения температуры повернутых яиц (воздушный зазор между параллельными пластинчатыми электродами и яйцами составляет 5 мм) (Dev et al., 2012).
Применение RF-H в пищевой промышленности
Нагревание хлеба.
Об одном из первых исследований процесса пастеризации в РФ было сообщено более 70 лет назад с использованием двух видов хлеба. Часть нарезанного белого хлеба и черный хлеб по-бостонски подвергались воздействию частот 14 и 17 МГц в ВЧ-блоке (Cathcart et al., 1947). Сорок семь секунд хватило, чтобы поднять температуру нарезанного хлеба до 60 ° C. Эта стерилизация оказала положительное влияние на сохранность как нарезанного белого хлеба, так и черного хлеба по-бостонски. Проверка качества показала отсутствие плесени после 10 дней хранения при 24 ° C и 29 ° C. Что еще более важно, новая технология положительно повлияла на текстуру хлеба. Сообщалось, что ранее сухая кожистая текстура хлеба отсутствовала после RF-H, без изменения содержания тиамина.Через год после этого открытия в другом исследовании сообщалось о способности RF контролировать как Aspegillus , так и Penicillium в нарезанном хлебе при обработке на частоте 26 МГц (Bartholomew et al., 1948).
Бланширование
RF также используется для бланширования овощей и для ограничения потери их питательной ценности. При использовании радиочастотного автогенератора на частоте 15 МГц температура овощей достигала 77 ° C (Moyer and Stotz, 1947). Было показано, что RF-H оказывает негативное влияние на активность каталазы обработанных овощей после нескольких дней хранения при -23 ° C.Кроме того, в овощах, бланшированных при 88 ° C, было повышено содержание аскорбиновой кислоты при самом высоком уровне витамина C. Витамин С необходим для поддержания здоровья соединительной ткани, а также может действовать как антиоксидант. Однако сообщалось, что RF-бланширование отрицательно влияет как на овощной вкус, так и на цвет по сравнению с традиционным методом бланширования с использованием воды и пара.
Размораживание
После использования RF для нагрева и бланширования пищевых продуктов в 1947 году были предприняты попытки использовать RF-энергию для размораживания замороженных продуктов.ВЧ на частоте 14–17 МГц было достаточно для размораживания 450–13,6 кг замороженных яиц, фруктов, овощей и рыбы за 2–15 мин. Использование этой технологии привело к лучшему качеству из-за минимального обесцвечивания и потери вкуса по сравнению с традиционным оттаиванием (Cathcart et al., 1947). Пятнадцать лет спустя Джейсон и Сандерс использовали радиочастоты в диапазоне от 36 до 40 МГц для размораживания белой рыбы, замороженной при -29 ° C (Jason and Sanders, 1962). RF успешно уменьшил время оттаивания с 3 и 16 часов при использовании воздуха и воды, соответственно, до 12 минут с RF.Используя тот же протокол, Сандерс смог уменьшить время оттаивания различных пищевых колбас, мяса, пирогов и бекона до 10–50 минут после нескольких проходов через блок RF (Sanders, 1966). Время оттаивания зависит от множества факторов, включая однородность используемых блоков, а также размер и диэлектрические свойства. В целом исследование показало, что время оттаивания с использованием RF было намного короче, чем при использовании традиционных методов.
В другом независимом исследовании использовалась замороженная нежирная говядина толщиной 4 см. Термическая обработка, производимая ВЧ-блоком на частоте 35 МГц, требовала двух проходов через ВЧ-блок и длилась 34 мин.Блоки говядины весом от 30 до 60 кг размораживали через 1,5 часа в ВЧ-установке мощностью 25 кВт.
Сушка
Сушка на основе RF-H имеет множество преимуществ по сравнению с традиционной сушкой и микроволновой сушкой (Mermelstein, 1998). Например, сушилка после выпечки Macrowave TM 7000 Series (например, для печенья и крекеров) была разработана Radio Frequency, Inc. (Миллис, Массачусетс) и дала множество преимуществ, включая следующие: возможность увеличения скорости линии печи, однородность тепла, точный контроль мощности, отсутствие перепада температур, экономия места, формирование желаемой структуры мякиша и способность уравновешивать и контролировать влажность, что приводит к полностью однородному профилю влажности.RF-H также использовался для стерилизации фасованной муки и сухих пищевых продуктов с плохими термическими характеристиками, таких как кофе, орехи, бобы, какао, кукуруза, зерна и бобы. Вертикальный ВЧ-блок с частотой 60 МГц был способен повышать температуру обжарки какао-бобов до 130 ° C, что уменьшало содержание влаги с 6 до 1 процента (Cresko and Anantheswaran, 1998). Благодаря большему потенциалу проникновения излучаемой энергии в центр продукта, RF-H может сушить продукты равномерно. На рисунке 7 показано, что время сушки сушилки RF было меньше, чем у обычной сушилки, из-за более высокой скорости сушки сушилки RF по сравнению с обычной сушилкой.Время сушки с использованием обычной сушилки было на 150% больше, чем у сушилки RF (Awuah et al., 2015).
Рисунок 7.
Типичная кривая сушки пищевых материалов с помощью радиочастот (RF) и обычной сушилки (Awuah et al., 2015).
Рис. 7.
Типичная кривая сушки пищевых материалов с помощью радиочастоты (RF) и обычной сушилки (Awuah et al., 2015).
RF классифицируется как технология сушки четвертого поколения (Ramaswamy, 2015).Интерес к методу высокочастотной сушки возрос благодаря однородности нагрева, большей глубине проникновения и более стабильному контролю температуры продукта (Wang et al., 2014; Zhou et al., 2018). Метод высокочастотной сушки также известен как диэлектрический нагрев (Zemni et al., 2017). Нагревание пищи с помощью радиочастотного излучения и микроволн происходит быстрее и эффективнее с точки зрения объема благодаря внутреннему выделению тепла в обработанной пище, которое происходит из-за ионной проводимости и дипольного вращения молекул.Сушка пищевых продуктов с помощью RF требует меньшего времени сушки и имеет более равномерную скорость сушки, а высушенные продукты имеют приемлемое качество (Huang et al., 2018). RF считается потенциально передовым методом сушки, и многие исследователи использовали RF для сушки таких продуктов, как орехи макадамия (Wang et al., 2014) и ядра арахиса (Albanese et al., 2013). Чжоу и др. (2018) изучали влияние трех методов сушки (RF, вакуумная сушка и сушка горячим воздухом) на характеристики сушки грецких орехов, как показано на Рисунке 8. Время, необходимое для сушки грецких орехов с использованием RF, было меньше, чем время сушки в вакууме или сушка горячим воздухом.При сушке RF температура повышается быстро по сравнению с сушкой в вакууме или горячим воздухом, поскольку содержание влаги играет важную роль в повышении температуры пищевых продуктов, обработанных RF-H (9,8% сухой массы). Скорость RF-сушки была выше, чем скорость сушки в вакууме или горячим воздухом. Кроме того, наблюдались три стадии скорости сушки (стадии увеличения, постоянной и падающей скорости) при сушке RF, тогда как при сушке под вакуумом и горячим воздухом наблюдалась только стадия постоянной скорости.
Рисунок 8.
Характеристики сушки (соотношение влажности, температура и скорость сушки) грецких орехов с использованием сушилок RF, вакуума и горячего воздуха (Zhou et al., 2018).
Рис. 8.
Характеристики сушки (соотношение влажности, температура и скорость сушки) грецких орехов с использованием сушилок RF, вакуума и горячего воздуха (Zhou et al., 2018).
Комбинированная сушка RF включает тандемную и параллельную сушку. Тандемная сушка (гибридная сушка) включает в себя различные методы сушки на разных этапах, чтобы повысить энергоэффективность, тепловые характеристики, однородность сушки и улучшение качества (Xu et al., 2004). Примером тандемной сушки является сушка после нанесения основы RF (Rice, 1993), которая, как было показано, предотвращает обесцвечивание и потерю вкуса (Koral, 2004).
Параллельно-комбинированный метод RF-сушки сочетает в себе RF-сушку с традиционным методом сушки (вакуум, псевдоожиженный слой). Целью параллельной комбинированной высокочастотной сушки является увеличение теплопередачи за счет конвекции и теплопроводности во время сушки. Примером этого метода является вакуумная сушилка RF производства Hebei Huashijiyuan Industrial 215 High Frequency Equipment, Ltd.Эта вакуумная сушилка RF состоит из двух электродов (регулируемое расстояние от 20 до 300 мм), вакуумной камеры, вакуумного насоса, водосборника, системы мониторинга и аппликатора RF-H (рис. 9a). Чтобы ускорить сушку за счет конвективной теплопередачи, RF-H комбинируется с горячим воздухом (рис. 9b). Эта система состоит из электродных пластин с параллельной перфорацией, конвейерной ленты, блока RF-H, пластикового контейнера и системы горячего воздуха. Сушку нута, зеленого горошка и чечевицы проводили на комбинированной сушилке с горячим воздухом RF.RF-сушилка сократила время нагрева и снизила скорость нагрева для всех трех овощей (Wang et al., 2010).
Рис. 9.
(a) вакуумная сушилка RF и (b) сушилка горячего воздуха RF (Wang et al., 2010).
Рис. 9.
(a) ВЧ-вакуумная сушилка и (б) ВЧ-сушилка с горячим воздухом (Wang et al., 2010).
Производство мяса
Первые исследования пастеризации мяса с помощью RF датируются 1953 годом. Устройство RF, работающее на частоте 9 МГц, смогло стерилизовать 2.7 кг ветчины без костей, достигнув желаемой температуры 80 ° C примерно за 10 минут (Pircon et al., 1953). Семнадцать лет спустя Бенгтссон и Грин (1970) разработали непрерывную высокочастотную пастеризацию соленого окорока, упакованного в оболочки Cryovac, который был изменен с 35 на 60 МГц, достигая температуры 80 ° C в центре ветчины. По сравнению с традиционной обработкой горячей водой время обработки, качество мяса и потери сока значительно улучшились при использовании блока RF. Кроме того, блоку RF требуется только треть времени для обработки 0.91 кг постной ветчины, нагретой в туннеле конденсатора на частоте 60 МГц. Результаты показали, что потери сока сократились, а качество улучшилось по сравнению с традиционной обработкой горячей водой (Bengtsson and Green, 1970). В 1991 году наблюдалась линейная зависимость между температурой и напряжением на электроде, используемым для пастеризации колбасной эмульсии. Двух минут было достаточно для обработки эмульсии колбасных изделий при массовом расходе 120 кг / ч. При воздействии на 27 МГц температура увеличилась с 15 ° C до 80 ° C.Хотя при обычном процессе нагрева скорость нагрева составляла 1 ° C / мин, RF-блок был способен обрабатывать центр (диаметром около 50 мм) колбасы со скоростью нагрева 40 ° C / мин (Houben et al., 1991 ). Радиочастотная термообработка показала летальный эффект на тестируемые организмы при тех же значениях пастеризации, что и обычная тепловая обработка, тогда как RF-обработанное мясо имело лучшее качество и лучше коагулировалось с приемлемым вкусом и внешним видом.
Молочные продукты
В недавнем исследовании было показано, что электропроводность йогурта прямо пропорциональна его температуре.Сообщенная проводимость была выше, чем у молока, что могло быть связано с проводимостью молочной кислоты в йогурте (Siefarth et al., 2014). При использовании RF-H (йогурт, начиная с 40 ° C) потребовалось 60, 90 и 120 секунд, чтобы достичь 58 ° C, 65 ° C и 72 ° C, соответственно, со скоростью нагрева 0,28 ± 0,02. К · с −1 . Для перемешивания йогурта на водяной бане RF постоянно применялись температуры 58 ° C и 65 ° C. Однако нагревание банок с йогуртом при очень высоких температурах, таких как 72 ° C, может вызвать значительный перегрев с последующим сильным сжатием йогуртового творога и отделением сыворотки (Siefarth et al., 2014). Когда те же температуры (58 ° C, 65 ° C и 72 ° C) применялись к перемешанному йогурту в конвекционной печи, наблюдались ограничения теплопередачи, в отличие от RF-H. Скорость нагрева конвекционной печи составляла 0,30, 0,41 и 0,55 К · мин -1 , что было сравнительно ниже по сравнению со скоростью нагрева RF-H (0,28 ± 0,02 К · с -1 ). Кривая нагрева показала медленно восходящий сигмоидальный характер. Хотя нагревание успешно применялось при большинстве температур, сообщалось о некоторых проблемах с диэлектрическим нагревом йогуртовых гелей при 72 ° C (рис. 10).На сегодняшний день большинство текущих исследований направлено на продление срока хранения йогурта при сохранении высокого качества продукта, включая текстуру и сенсорные свойства.
Рисунок 10.
Рисунок 10.
Влияние RF-H на инактивирующие микроорганизмы
RF-H можно использовать для борьбы с патогенами в пищевых продуктах из-за быстрого и объемного нагрева, а также для снижения потери качества пищевых продуктов (Hou et al., 2016). Использование RF-H приводит к снижению патогенных микроорганизмов в сельскохозяйственных материалах на 4 log (Jiao et al., 2016; Ли и др., 2017). В некоторых исследованиях упоминалось, что RF-H обладает способностью инактивировать Bacillus cereus и Clostridium perfringens в свинине на обед (Awuah et al., 2005; Byrne et al., 2006), Escherichia coli и Listeria innocua в молоке (Awuah et al., 2005) и Clostridium sporogenes в яичнице (Luechapattanaporn et al., 2005). Кроме того, сообщалось, что при использовании RF-H при 90 ° C в течение 5 минут были обнаружены термически разрушенные Cronobacter sakazakii и Salmonella spp.возбудители, вызывающие наибольшее беспокойство, содержатся в обезжиренном сухом молоке (Michael et al., 2014). Zheng et al. (2017) протестировали RF-H для контроля противогрибковой эффективности в различных типах продуктов питания. Исследование было проведено с целью разработки опытной модели с частотой 27,12 МГц и 6 кВт для быстрой пастеризации 3,0 кг образцов кукурузы. Результат этого исследования позволил обеспечить соответствие требуемому стандарту качества, используемому в зерновой промышленности, за счет снижения Aspergillus parasiticus на 5–6 log. Более того, некоторые исследования доказали, что ВЧ играет роль эффективной однородности нагрева.Zhao et al. (2017) указали, что не наблюдалось ухудшения цвета порошка брокколи, когда RF-H применялся в течение разного времени, и результаты показали, что общее количество бактерий значительно уменьшилось на 4,2 log колониеобразующих единиц (КОЕ) / г с незначительно после RF-H в течение 5 мин. Таким образом, было доказано, что RF-обработка является многообещающей технологией, способной снизить мощность применяемого RF и, таким образом, способствовать лучшему сохранению качества пищевых продуктов с низким содержанием влаги.
Будущие аспекты RF-H
Технология
RF имеет значительный потенциал для замены традиционного (водяного и парового) и микроволнового нагрева в пищевой промышленности.RF предлагает основные преимущества, включая возможность немедленно проникать в пищу на глубину до 20 см и более для более равномерного и эффективного нагрева и ограниченные негативные побочные эффекты, такие как снижение качества пищи или нежелательное сенсорное восприятие. Пищевые ученые и инженеры могут предвидеть определение оптимальных радиочастотных частот, времени воздействия и конфигурации для нагрева одного продукта или группы похожих продуктов. В то же время относительное влияние РФ на качество пищи и сенсорное восприятие может быть изучено с целью разработки оптимальной единицы РФ для конкретного продукта питания или группы пищевых продуктов.Это нагревание пищевых продуктов может быть предназначено для пастеризации, обработки готовых пищевых продуктов или повторного нагрева потребителя, при этом в каждой ситуации есть свои требования. Поскольку ВЧ-блоки не имеют магнетронов, ВЧ-блоки обычно менее дороги, чем микроволновые, с точки зрения масштабирования от лаборатории до применения на перерабатывающем предприятии и, таким образом, требуют меньших затрат на техническое обслуживание.
Потенциальным ограничением для оптимального выбора радиочастот является обозначение радиочастотных диапазонов в стране эксплуатации. Например, текущие частоты, выделяемые для промышленных, научных и медицинских (ISM) приложений, обычно включают частоты с центром в 6.78, 13,56, 27,12 и 40,68 МГц. Любые телекоммуникационные устройства, использующие эти частоты, должны выдерживать радиочастотные помехи от других устройств. Следовательно, использование других частот, предназначенных для телекоммуникационного оборудования, потребует экранирования радиочастот для предотвращения помех. К счастью, радиочастотные волны с их более длинными волнами легче защищать, чем микроволны.
В будущем бытовые микроволны также могут быть заменены радиочастотными устройствами, которые намного эффективнее готовят или разогревают пищу.Современные микроволны имеют управление с помощью одной кнопки для различных продуктов, которые управляют цикличностью микроволн во времени. Однако представьте себе радиочастотную печь с аналогичными элементами управления с одной кнопкой, которые могут изменять частоту, продолжительность и цикличность радиочастотного излучения, чтобы максимизировать качество и пользу для здоровья от конкретной пищи. Результаты исследований RF-H за последние несколько десятилетий ясно показали, что в ближайшем будущем RF-H станет очень привлекательной технологией обработки, обеспечивающей безопасность и высокое качество пищевых продуктов, благодаря ее способности глубоко проникать в продукты быстрой однородности. обогрев.
Благодарности
Мы хотели бы поблагодарить факультет пищевых наук, Сельскохозяйственный колледж Университета Басры.
Заявление о конфликте интересов
Не объявлено.
Список литературы
Albanese
,
D.
,
Cinquanta
,
L.
,
Cuccurullo
,
G.
,
Di Matteo
,
M
. (
2013
).
Влияние методов сушки с помощью микроволн и горячего воздуха на цвет, бкаротин и активность абрикосов по улавливанию радикалов
.
Международный журнал пищевой науки и технологий
,
48
(
6
):
1327
—
1333
.
Alfaifi
,
B.
,
Tang
,
J.
,
Rasco
,
B.
,
Wang
,
S.
,
Sablani
,
S
. (
2016
).
Анализ компьютерного моделирования для улучшения однородности радиочастотного (РЧ) нагрева сухофруктов для борьбы с насекомыми
.
Инновационная наука о продуктах питания и новые технологии
,
37
:
125
—
137
.
Awuah
,
G.
,
Ramaswamy
,
H.
,
Economides
,
A.
,
Mallikarjunan
,
K
. (
2005
).
Инактивация Escherichia coli K-12 и Listeria innocua в молоке с помощью радиочастотного (RF) нагрева
.
Innovative Food Science & Emerging Technologies
,
6
(
4
):
396
—
402
.
Awuah
,
G. B.
,
Ramaswamy
,
H. S.
Tang
,
J
. (
2015
).
Принципы и приложения радиочастотного нагрева в пищевой промышленности
.
Флорида:
CRC Press
. п.
404
.
Парикмахерская
,
H.
(
1983
).
Electroheat
(1-е изд.).
Лондон:
Granada Publishing Limited
.
Bartholomew
,
J. W.
;
Харрис
,
Р. Г.
;
Sussex
,
F.
(
1948
).
Электронная консервация бостонского черного хлеба
.
Food Technology
,
2
:
91
—
94
.
Bengtsson
,
N. E.
Зеленый
,
W
.(
1970
).
Радиочастотная пастеризация ветчины
.
Journal of Food Science
,
35
:
681
—
687
.
Бирла
,
С. Л.
,
Ван
,
С.
,
Тан
,
Дж
. (
2008
).
Компьютерное моделирование радиочастотного нагрева модельного фрукта, погруженного в воду
.
Журнал пищевой инженерии
,
84
(
2
):
270
—
280
.
Буфер
,
C. R
. (
1993
).
Приготовление и обработка в микроволновой печи: основы инженерии для специалистов по пищевым продуктам
.
Нью-Йорк:
Van Nostrand Reinhold
.
Бирн
,
Б.
,
Данн
,
Г.
,
Болтон
,
Д. Дж.
. (
2006
).
Термическая инактивация вегетативных клеток и спор Bacillus cereus и clostridium perfringens в булочке из свинины
.
Пищевая микробиология
,
23
:
803
—
808
.
Cathcart
,
W. H.
,
Parker
,
J. J.
,
Beattie
,
H. G
. (
1947
).
Обработка фасованного хлеба высокочастотным нагревом
.
Food Technology
,
1
:
174
—
177
.
Chen
,
L.
,
Wang
,
K.
,
Li
,
W.
Ван
,
S
. (
2015
).
Стратегия моделирования радиочастотного нагрева в условиях перемешивания
.
Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве
,
118
:
100
—
110
.
Cresko
,
J. W.
Anantheswaran
,
R. C
. (
1998
).
Диэлектрическая сушка и обжиг для пищевой промышленности
.
Труды 33-го симпозиума по микроволновой энергии
,
Чикаго, Иллинойс
.п.
95
—
98
.
Datta
,
A. K.
,
Davidson
,
P. M
. (
2000
).
Обработка микроволн и радиочастот
.
Journal of Food Science
,
65
:
32
—
41
.
Дев
,
S. R. S.
;
Каннан
,
С.
;
Gariepy
,
Y.
Vijaya Raghavan
,
G. S
. (
2012
).
Оптимизация радиочастотного нагрева яиц в скорлупе посредством моделирования методом конечных элементов и экспериментальных испытаний
.
Progress in Electromagnetics Research B
,
45
:
203
—
222
.
Felke
,
K.
,
Pfeiffer
,
T.
,
Eisner
,
P
. (
2009
).
Neues Verfahren zur schnellen und schonenden Erhitzung von verpackten Lebensmitteln: Hochfrequenzerhitzung im Wasserbad
.
Chemie Ingenieur Technik
,
81
(
11
):
1815
—
1821
.
Fu
,
Y. C
. (
2004
).
Основы и промышленные применения микроволн и радиочастот в пищевой промышленности.
In:
Пищевая промышленность: принципы 1695 и приложения
.
Smith
,
J. S.
и
Hui
,
Y. H.
, ред.
Блэквелл
,
Айова,
стр.
79
—
100
.
Gao
,
Q.
,
Liu
,
C.
,
Zheng
,
X
. (
2018
).
Влияние термической обработки ржаной муки на качество ржано-пшеничного пропаренного хлеба
.
Международный журнал пищевой науки и технологий
,
53
(
5
):
1109
—
1119
.
Hansen
,
J. D.
,
Drake
,
S. R.
,
Watkins
,
M. A.
,
Heidt
,
M. L.
,
Anderson
,
P. A.
,
Tang
,
J
. (
2006
).
Применение радиочастотных импульсов для равномерного нагрева при борьбе с послеуборочной плевелой (Lepidoptera: Tortricidae) свежих яблок (Malus domestica Borkh)
.
Журнал качества пищевых продуктов
,
29
(
5
):
492
—
504
.
Харраз
,
H
.(
2007
).
Радиочастотный нагрев для обезвоживания и борьбы с вредителями арахиса в скорлупе
. (Магистерская диссертация)
Обернский университет
,
Оберн, AL
.
Hou
,
L.
,
Johnson
,
J. A.
,
Wang
,
S.
(
2016
).
Радиочастотный обогреватель для послеуборочной борьбы с вредителями сельскохозяйственных продуктов: обзор
.
Послеуборочная биология и технология
,
113
:
106
—
118
.
Houben
,
J.
,
Schoenmakers
,
L.
,
van Putten
,
E.
,
van Roon
,
P.
,
Krol
,
B
. (
1991
).
Радиочастотная пастеризация колбасных эмульсий как непрерывный процесс
.
Журнал микроволновой энергии и электромагнитной энергии
,
26
(
4
):
202
—
205
.
Хуанг
,
Z.
,
Марра
,
Ф.
Ван
,
S
. (
2016
).
Новая стратегия улучшения однородности радиочастотного нагрева сухих пищевых продуктов с использованием компьютерного моделирования
.
Innovative Food Science & Emerging Technologies
,
34
:
100
—
111
.
Хуанг
,
З.
,
Марра
,
Ф.
,
Суббиа
,
Дж.
,
Ван
,
S
.(
2018
).
Компьютерное моделирование для улучшения однородности нагрева пищевых продуктов с помощью радиочастоты (RF): обзор
.
Critical Reviews in Food Science and Nutrition
,
58
:
1033
—
1057
.
Хуан
,
З.
,
Чжу
,
Х.
,
Ян
,
Р.
Ван
,
S
. (
2015
).
Моделирование и прогнозирование радиочастотного нагрева сухой сои
.
Biosystems Engineering
,
129
:
34
—
47
.
Джейсон
,
A. C.
и
Sanders
,
H. R
. (
1962
).
Диэлектрическое оттаивание рыбы. Эксперименты с замороженной селедкой. Опыты с замороженной белой рыбой
.
Food Technology
,
16
(
6
):
101
—
112
.
Цзяо
,
С.
,
Джонсон
,
Дж.A.
,
Tang
,
J.
,
Tiwari
,
G.
,
Wang
,
S
. (
2011
).
Диэлектрические свойства вигнового долгоносика, черноглазого гороха и маша с учетом разработки методов радиочастотной термообработки
.
Biosystems Engineering
,
108
(
3
):
280
—
291
.
Jiao
,
S.
,
Zhong
,
Y.
,
Deng
,
Y.
, (
2016
).
Воздействие радиочастотного нагрева горячим воздухом на семена пшеницы и кукурузы: изменение качества и подавление грибков
.
Журнал исследований хранимых продуктов
,
69
:
265
—
271
.
Джонс
,
П. Л.
,
Роули
,
A
. (
1997
).
Диэлектрические осушители в промышленной сушке пищевых продуктов
.
Лондон
:
Blackie Academic and Professional
.
Корал
,
Т
. (
2004
).
Радиочастотный нагрев и последующая выпечка
.
Biscuit World, выпуск
,
7
(
4
):
1
—
7
.
Li
,
R.
,
Kou
,
X.
,
Cheng
,
T.
,
Zheng
,
A.
,
Wang
,
S
. (
2017
).
Проверка процесса радиочастотной пастеризации миндаля в скорлупе
.
Журнал пищевой инженерии
,
192
:
103
—
110
.
Ling
,
B.
,
Hou
,
L.
,
Li
,
R.
,
Wang
,
S
. (
2016
).
Стабильность при хранении фисташек под влиянием радиочастотной обработки для послеуборочной дезинсекции
.
Innovative Food Science & Emerging Technologies
,
33
:
357
—
364
.
Luechapattanaporn
,
K.
,
Wang
,
Y.
,
Wang
,
J.
,
Tang
,
J.
,
Hallberg
,
LM
,
LM
, С. P
. (
2005
).
Стерилизация яичницы-болтуньи в военных полимерных лотках радиочастотной энергией
.
Journal of Food Science
,
70
(
4
):
E288
—
E294
.
Марра
,
F.
,
Zhang
,
L.
,
Lyng
,
J. G.
, (
2008
).
«Радиочастотная обработка пищевых продуктов: обзор последних достижений»
.
Журнал пищевой инженерии
,
91
:
497
—
508
.
Мермельштейн
,
N. H
. (
1998
).
СВЧ и радиочастотная сушка
.
Food Technology
,
52
(
11
):
84
—
86
.
Майкл
,
M.
,
Phebus
,
RK
,
Thippareddi
,
H.
,
Subbiah
,
J.
,
Birla
,
SL
,
000 А
. (
2014
).
Валидация системы радиочастотного диэлектрического нагрева для уничтожения видов cronobacter sakazakii и сальмонелл в обезжиренном сухом молоке
.
Journal of Dairy Science
,
97
:
7316
—
7324
.
Мойер
,
Дж. К.
Stotz
,
E
. (
1947
).
Бланшировка овощей электроникой
.
Food Technology
,
1
:
252
—
257
.
Орфей
,
М
. (
1987
).
Технологическое электрическое отопление
.
Колумбус, Огайо:
Battelle Press
.
Орсат
,
В.
и
Рагхаван
,
г.С. В.
(
2005
).
Радиочастотная обработка.
In:
Sun
,
D. W.,
ed.
Новые технологии для пищевой промышленности
.
Нью-Йорк:
Elsevier Academic press
. п.
771
.
Pircon
,
L. J.
,
Loquercio
,
P.
,
Doty
,
D. M
. (
1953
).
Высокочастотный нагрев как единая операция в мясопереработке
.
Сельскохозяйственная и пищевая химия
,
1
(
13
):
844
—
847
.
Piyasena
,
P.
,
Dussault
,
C.
,
Koutchma
,
T.
,
Ramaswamy
,
H. S.
,
Awuah
,
G. (
2003
).
Радиочастотный нагрев пищевых продуктов: принципы, применение и связанные свойства — обзор
.
Critical Reviews in Food Science and Nutrition
,
43
:
587
—
606
.
Рамасвами
,
H. S
. (
2015
).
Радиочастотный нагрев в пищевой промышленности, принципы и применение
.
Бока-Ратон:
CRC Press
. п.
404
.
Рис
,
Дж
. (
1993
). Технология
RF повышает конкурентоспособность пекарни
.
Food Process
,
6
:
18
—
24
.
Роули
,
А. Т
.(
2001
).
Радиочастотный обогрев.
В:
Richardson
,
P. S.
, ed.
Тепловые технологии в пищевой промышленности
.
Woodhead Publishing
,
Cambridge, UK
, стр.
163
—
177
.
Ryynanen
,
S
. (
1995
).
Электромагнитные свойства пищевых материалов: обзор основных принципов
.
Журнал пищевой инженерии
,
26
:
409
—
429
.
Шлифовальные станки
,
H. R
. (
1966
).
Диэлектрическое оттаивание мяса и мясных продуктов
.
Международный журнал пищевой науки и технологий
,
1
(
3
):
183
—
192
.
Siefarth
,
C.
,
Tran
,
T. B.
,
Mittermaier
,
P.
,
Pfeiffer
,
T.
,
Buettner
,
A
.(
2014
).
Воздействие радиочастотного нагрева на йогурт II: микроструктура и текстура
.
Foods (Базель, Швейцария)
,
3
:
369
—
393
.
Тан
,
X.
,
Cronin
,
D. A.
,
Brunton
,
N. P.
, (
2005
).
«Влияние радиочастотного нагрева на химические, физические и сенсорные аспекты качества рулетов из грудки индейки»
.
Пищевая химия
,
93
(
1
):
1
—
7
.
Uyar
,
R.
,
Bedane
,
T. F.
,
Erdogdu
,
F.
,
Palazoglu
,
T. K.
,
Farag
,
K.
W.
W.
(
2015
).
Радиочастотное размораживание пищевых продуктов — вычислительное исследование
.
Журнал пищевой инженерии
,
146
:
163
—
171
.
Ван
,
S.
и др. (
2003
).
Диэлектрические свойства фруктов и насекомых-вредителей в связи с обработкой радиочастотами и микроволнами
.
Biosystems Engineering
,
85
(
2
):
201
—
212
.
Wang
,
S.
,
Tiwari
,
G.
,
Jiao
,
S.
,
Johnson
,
J.
Tang
,
J.
(
2010
).
Разработка обработок послеуборочной дезинсекции бобовых с использованием энергии радиочастоты
.
Biosystems Engineering
,
105
:
341
—
349
.
Ван
,
Ю.
и др. (
2014
).
Разработка высокочастотной сушки горячим воздухом для орехов макадамии в скорлупе
.
Food and Bioprocess Technology
,
7
(
1
):
278
—
288
.
Xu
,
Y. Y.
;
Чжан
,
м.
;
Муджумдар
,
A. S.
;
Zhou
,
L. Q.
;
Сан
,
Дж. К.
(
2004
).
Исследования по сушке дикой капусты горячим воздухом и микроволновой печью в вакууме
.
Технология сушки
,
22
(
9
):
2201
—
2209
.
Земли
,
Х.,
и др. (
2017
)
Физико-химические, фитохимические и микологические характеристики итальянского мускатного изюма, полученные с использованием различных методов предварительной обработки и сушки
.
Food Bioprocess Technology
,
10
(
3
):
479
—
490
.
Zhao
,
Y.
,
Zhao
,
W.
,
Yang
,
R.
,
Singh Sidhu
,
J.
,
Kong
,
F
. (
2017
).
Радиочастотный нагрев для инактивации микроорганизмов в порошке брокколи
.
Качество и безопасность пищевых продуктов
,
1
(
1
):
93
—
100
.
Zheng
,
A.
,
Zhang
,
L.
,
Wang
,
S
. (
2017
).
Верификация радиочастотной пастеризации для борьбы с Aspergillus parasiticus на зернах кукурузы
.
Международный журнал пищевой микробиологии
, 249: 27–34.
Zhou
,
X.
,
Gao
,
H.
,
Mitcham
,
E.J.
,
Wang
,
S.
(
2018
).
Сравнительный анализ трех методов обезвоживания на характеристики сушки и качество масла грецких орехов в скорлупе
.
Технология сушки
,
36
(
4
):
477
—
490
.
© Автор (ы) 2019. Опубликовано Oxford University Press от имени Zhejiang University Press.
Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc / 4.0 /), которая разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected].
Радиочастотная обработка пищевых продуктов
Радиочастотное (RF) нагревание — это широко используемая технология обработки пищевых продуктов, которая применялась для сушки и выпечки, а также для размораживания замороженных продуктов. Его использование при пастеризации, а также для стерилизации и дезинфекции пищевых продуктов более ограничено.В этой колонке будут рассмотрены различные применения радиочастотного нагрева в пищевой промышленности, а также основные принципы этой технологии.
The Basic Science
ВЧ-обработка использует диэлектрический нагрев для термической обработки пищевых продуктов с помощью электромагнитных волн. Длины волн RF покрывают диапазон электромагнитного спектра от 3 кГц до 300 МГц. Только частоты 13,56 МГц, 27,12 МГц и 40,68 МГц разрешены для использования в США. Во время высокочастотной обработки диэлектрические материалы помещаются в переменное электрическое поле.Радиочастотная энергия генерируется триодным вентилем и подается на пищу через пару электродов. Диэлектрическая тепловая энергия генерируется в пище за счет молекулярного трения при чередовании высокочастотных электрических полей. В отличие от обычного нагрева, диэлектрический нагрев быстрый и объемный.
RF-обработка может использоваться для обработки любого диэлектрического материала, и большинство пищевых продуктов являются диэлектрическими. Пища содержит полярные молекулы, такие как вода, и эти молекулы имеют дипольные моменты, центры положительного и отрицательного заряда, которые не совпадают.Находясь в электрическом поле, полярные молекулы выравниваются по полю за счет явления дипольного момента. Таким образом, полярные молекулы непрерывно вращаются, выравниваясь с полем, по мере того как поле меняется. Между молекулами возникает трение, преобразующее электромагнитную энергию в тепло и повышающее температуру пищи. Диссоциативные ионы в пище также выделяют тепло за счет ионной проводимости, в результате чего ионы колеблются в пище вперед и назад, создавая трение и тепло.
Электромагнитные характеристики пищевых продуктов важны при определении параметров процесса.Два важных свойства — проницаемость и диэлектрическая проницаемость. Проницаемость имеет очень небольшой вклад в нагрев диэлектрика и поэтому обычно не учитывается. Диэлектрическая проницаемость — это параметр, наиболее часто используемый для описания диэлектрических свойств пищевых продуктов. Он связывает отражение электромагнитных волн на границах раздела и ослабление волновой энергии в пище. Диэлектрические свойства многих пищевых продуктов были изучены исследователями и могут быть найдены в литературе. Три наиболее популярных метода измерения диэлектрических свойств — это линия передачи, открытый коаксиальный зонд и метод резонансной полости.Важно помнить, что диэлектрические свойства зависят от температуры и частоты, а также от плотности, структуры, состава и содержания влаги в продуктах питания.
Сравнение радиочастоты с микроволнами
Радиочастотный обогрев имеет несколько преимуществ перед микроволн. Радиочастотный нагрев проще, чем микроволновый, поскольку он создает электрическое поле между парой электродов в одном направлении, в отличие от микроволнового нагрева, который распространяется во всех направлениях.Для микроволнового оборудования также требуется волновод для передачи микроволн. Таким образом, строительство больших радиочастотных систем обогрева становится проще, а их применение в непрерывных процессах проще. Еще одно отличие состоит в том, что при обработке радиочастот используются более низкие частоты, чем при микроволнах, что приводит к большей глубине проникновения, что делает его полезным для обработки сыпучих пищевых материалов с большими размерами. ВЧ-обработка также позволяет динамически контролировать влажность конечного продукта. Цепи генератора можно динамически согласовывать с нагрузкой автоматически, контролируя мощность, потребляемую нагрузкой.Таким образом, сушилки RF могут автоматически потреблять больше энергии, если влажность продукта слишком высока. Наконец, высокочастотный нагрев обеспечивает более равномерное распределение поля, чем микроволновый нагрев, и, как результат, является немного более эффективным.
Конструкция оборудования
Существует два типа конструкции радиочастотного нагревательного оборудования. Они представляют собой автономную традиционную систему генератора и 50-омную систему генератора согласованного импеданса с кварцевым генератором (COSMIG). Традиционные радиочастотные системы на основе генераторов просты в использовании и дешевле, чем новые системы COSMIG 50 Ом.Новые системы, хотя и более дорогие, позволяют точно регулировать частоту и мощность с обратной связью по прямой и отраженной мощности, что позволяет точно контролировать параметры обработки, такие как мощность и скорость нагрева, для получения точных свойств конечного продукта, таких как содержание влаги.
ВЧ-системы с параллельными пластинами «сквозного поля» являются наиболее часто используемыми в промышленности; однако есть два других типа конфигурации. Системы «граничного поля» и «шахматного сквозного поля», которые содержат стержневые или трубчатые электроды, могут использоваться для обработки изделий с тонкой или средней толщиной.
Несколько компаний производят РФ технологическое оборудование для пищевой промышленности. Некоторые из лидеров — Radio Frequency Co., Миллис, Массачусетс; Stalam Co., Нове, Италия; и Strayfield Co., Тил, Беркшир, Соединенное Королевство.
— ПЕРЕРЫВ СТРАНИЦЫ —
Коммерческое применение
• Сушка и выпечка. ВЧ-сушка после выпечки широко применяется при производстве печенья, крекеров, круп и закусок. Поверхностное растрескивание часто происходит во время традиционных процессов сушки из-за градиента влажности продукта.Радиочастотная сушка решает эту проблему, поскольку энергия проникает равномерно, сводя к минимуму градиенты влажности. Использование RF также позволяет избежать обесцвечивания и повреждения вкуса из-за теплового накопления. Это обеспечивает более высокую скорость линии, более стабильный уровень влажности, более низкие температуры сушки и меньшую занимаемую площадь оборудования. Кроме того, RF очень энергоэффективен для удаления конечной влаги из сухой выпечки.
Традиционная выпечка осуществляется в печах с принудительной конвекцией, в которых тепло передается поверхности теста за счет конвекции, теплопроводности и излучения, а затем от поверхности внутрь за счет теплопроводности.Тесто имеет низкую теплопроводность; поэтому традиционный процесс выпечки медленный и может занять до 30 минут. При РЧ-обработке хлеба тестовые заготовки помещаются в формы из термостойких, РЧ-совместимых пищевых полимеров и помещаются в РЧ-печь для выпечки с контролируемым потоком воздуха и вытяжными вентиляторами для удаления избыточной влаги, выделяющейся в процессе выпечки. . Общее время выпечки сокращается до 8–10 минут для коммерческих буханок хлеба, и хлеб действительно покрывается коркой, когда он выходит из высокочастотной печи.При желании можно использовать другие методы, такие как инфракрасное излучение. В хлебе радиочастотная обработка также снижает рост плесени и черствение во время хранения.
• Размораживание. Традиционные методы размораживания по своей природе страдают медленной теплопередачей. Чем больше размер продукта, тем больше времени потребуется. Это дает возможность для роста бактерий, приводит к большим потерям капель и вызывает неблагоприятные изменения качества продукта, что приводит к значительным экономическим потерям.
RF быстро вырабатывает тепло в объеме, и размораживание достигается за минуты, а не часы / дни, даже для больших блоков продукта. Также может выполняться непосредственно внутри упаковки. Процесс нагрева приводит к значительному сокращению потерь от капель при минимизации порчи продукта из-за роста бактерий, что делает его идеальным для многих процессов размораживания.
• Стерилизация и пастеризация. Процессы стерилизации, такие как автоклавирование, обычно выполняются путем обработки продуктов сильной термообработкой, что приводит к потере качества продукта.Пастеризация — это относительно бережная термообработка, проводимая при температурах ниже точки кипения воды. Как традиционные методы стерилизации, так и пастеризации используют насыщенный пар или горячую воду под давлением для нагрева упакованных продуктов. Повышение температуры продукта происходит медленно и неравномерно, что часто приводит к перегреву внешних слоев продукта, что приводит к потере качества. Способность RF быстро генерировать тепло в объеме продукта сводит к минимуму порчу продукта.Радиочастотное оборудование требует меньше места по сравнению с другими машинами, основанными на традиционной технологии нагрева, которые имеют длительное время нагрева и требуют обработки больших объемов продукта в любой момент времени. Поскольку тепловая энергия не попадает в окружающую среду, высокочастотный процесс является более эффективным, экономичным и экологически безопасным. ВЧ пастеризация применяется в мясопереработке. Также изучаются возможности применения жидкой пастеризации.
Одно из наиболее распространенных применений пастеризации RF — обработка сухих ингредиентов.В сухом состоянии (содержание влаги 5% и 15%) микробы считаются «спящими» и их трудно убить. RF очень эффективен с сухими ингредиентами, такими как мука, злаки, белковые добавки, специи, семена и корма для домашних животных, обеспечивая их пищевую безопасность. Это особенно важно для ингредиентов, которые добавляются в пищу после «стадии уничтожения», таких как включения в тесто для печенья для мороженого и батончики холодного отжима.
• Обеззараживание. Другой серьезной проблемой является заражение насекомыми.Химические фумиганты (например, бромистый метил) обычно используются для борьбы с вредителями после уборки урожая, но они связаны с экологическими проблемами и проблемами регулирования. Альтернативная термическая обработка часто приводит к ухудшению качества продукции. Радиочастотная обработка позволяет быстро и равномерно нагревать многие подложки. Недавние исследования подтвердили жизнеспособность РФ для обеззараживания фруктов и орехов.
РФ и будущее
В ближайшие годы ожидается дальнейшее расширение сфер применения в РФ обработки пищевых продуктов.Текущие исследования диэлектрических свойств пищевых продуктов (включая гетерогенные), качества и безопасности пищевых продуктов, подвергнутых обработке с помощью радиочастотного излучения, а также достижения в области математического моделирования — все это способствует расширенному внедрению радиочастотной технологии и дополнительным одобрениям FDA на обработку радиочастотным излучением для конкретных пищевых приложений, таких как стерилизация. Исследователи и производители оборудования решают проблемы, связанные с предотвращением пробоя диэлектрика (дуги) и теплового неуправляемого нагрева из горячих точек. И продолжают разрабатываться новые специальные упаковочные материалы, предназначенные для обработки в радиочастотном диапазоне.У РФ переработка пищевых продуктов очень светлое будущее.
Тара МакХью , доктор философии, ответственный редактор
Руководитель исследований, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, Олбани, Калифорния
[адрес электронной почты защищен]
% PDF-1.7
%
138 0 объект
>
endobj
xref
138 90
0000000016 00000 н.
0000002702 00000 н.
0000002903 00000 н.
0000002939 00000 н.
0000003519 00000 н.
0000004121 00000 п.
0000004549 00000 н.
0000004586 00000 н.
0000004700 00000 н.
0000004812 00000 н.
0000005061 00000 н.
0000005316 00000 н.
0000005776 00000 н.
0000006378 00000 п.
0000007774 00000 н.
0000008185 00000 н.
0000008844 00000 н.
0000008993 00000 н.
0000009413 00000 н.
0000009610 00000 п.
0000010037 00000 п.
0000010371 00000 п.
0000010515 00000 п.
0000011131 00000 п.
0000011822 00000 п.
0000013110 00000 п.
0000014110 00000 п.
0000015100 00000 н.
0000016217 00000 п.
0000017330 00000 п.
0000017466 00000 п.
0000017599 00000 п.
0000017978 00000 п.
0000018278 00000 п.
0000018305 00000 п.
0000018766 00000 п.
0000019035 00000 п.
0000019313 00000 п.
0000019634 00000 п.
0000019661 00000 п.
0000020803 00000 п.
0000021638 00000 п.
0000030337 00000 п.
0000030584 00000 п.
0000051057 00000 п.
0000059228 00000 п.
0000074867 00000 п.
0000075165 00000 п.
0000078411 00000 п.
0000078673 00000 п.
0000102411 00000 н.
0000105061 00000 н.
0000114213 00000 н.
0000114283 00000 н.
0000148367 00000 н.
0000148456 00000 н.
0000169219 00000 н.
0000169496 00000 н.
0000169683 00000 н.
0000169782 00000 н.
0000169852 00000 н.
0000169917 00000 н.
0000170009 00000 н.
0000172684 00000 н.
0000172977 00000 н.
0000173252 00000 н.
0000173279 00000 н.
0000173682 00000 н.
00001
00000 н.
00001
00000 н.
0000192580 00000 н.
0000205642 00000 н.
0000205925 00000 н.
0000206222 00000 н.
0000206708 00000 н.
0000207197 00000 н.
0000215809 00000 н.
0000216059 00000 н.
0000216432 00000 н.
0000216804 00000 н.
0000240063 00000 н.
0000240338 00000 н.
0000240733 00000 н.
0000241143 00000 н.
0000263639 00000 н.
0000263908 00000 н.
0000264310 00000 н.
0000306836 00000 н.
0000306875 00000 н.
0000002096 00000 н.
трейлер
] / Назад 585932 >>
startxref
0
%% EOF
227 0 объект
> поток
hb«
% PDF-1.7
%
530 0 объект
>
endobj
xref
530 168
0000000016 00000 н.
0000004500 00000 н.
0000004728 00000 н.
0000004770 00000 н.
0000004806 00000 п.
0000005328 00000 н.
0000005432 00000 н.
0000005545 00000 н.
0000005653 00000 п.
0000005768 00000 н.
0000005882 00000 н.
0000005990 00000 н.
0000006105 00000 н.
0000006213 00000 н.
0000006328 00000 н.
0000006436 00000 н.
0000006551 00000 н.
0000006668 00000 н.
0000006785 00000 н.
0000006901 00000 н.
0000007018 00000 п.
0000007135 00000 н.
0000007248 00000 н.
0000007360 00000 н.
0000007465 00000 н.
0000007571 00000 н.
0000007679 00000 н.
0000007787 00000 н.
0000007895 00000 н.
0000007999 00000 н.
0000008107 00000 н.
0000008215 00000 н.
0000008295 00000 н.
0000008375 00000 н.
0000008456 00000 н.
0000008536 00000 н.
0000008616 00000 н.
0000008697 00000 п.
0000008776 00000 н.
0000008856 00000 н.
0000008936 00000 н.
0000009017 00000 н.
0000009097 00000 н.
0000009177 00000 н.
0000009257 00000 н.
0000009336 00000 п.
0000009416 00000 н.
0000009495 00000 н.
0000009575 00000 н.
0000009654 00000 н.
0000009734 00000 п.
0000009813 00000 н.
0000009893 00000 п.
0000009973 00000 н.
0000010051 00000 п.
0000010130 00000 п.
0000010209 00000 п.
0000010286 00000 п.
0000010366 00000 п.
0000010446 00000 п.
0000010526 00000 п.
0000010607 00000 п.
0000010687 00000 п.
0000010768 00000 п.
0000010848 00000 п.
0000010928 00000 п.
0000011042 00000 п.
0000011100 00000 п.
0000011281 00000 п.
0000011327 00000 п.
0000011361 00000 п.
0000011539 00000 п.
0000011735 00000 п.
0000011893 00000 п.
0000011971 00000 п.
0000012362 00000 п.
0000012808 00000 п.
0000013022 00000 п.
0000013244 00000 п.
0000013896 00000 п.
0000014099 00000 н.
0000014394 00000 п.
0000014463 00000 п.
0000014936 00000 п.
0000015633 00000 п.
0000017093 00000 п.
0000017254 00000 п.
0000017551 00000 п.
0000018286 00000 п.
0000018513 00000 п.
0000018821 00000 п.
0000019511 00000 п.
0000019699 00000 н.
0000019890 00000 п.
0000019946 00000 п.
0000020092 00000 п.
0000020390 00000 н.
0000020768 00000 п.
0000020877 00000 п.
0000022407 00000 п.
0000022608 00000 п.
0000022774 00000 п.
0000024341 00000 п.
0000025144 00000 п.
0000025356 00000 п.
0000025660 00000 п.
0000025743 00000 п.
0000026155 00000 п.
0000026352 00000 п.
0000026646 00000 п.
0000028064 00000 н.
0000028255 00000 п.
0000028507 00000 п.
0000029772 00000 п.
0000031210 00000 п.
0000031462 00000 п.
0000031814 00000 п.
0000032900 00000 п.
0000034134 00000 п.
0000037377 00000 п.
0000042897 00000 п.
0000044259 00000 п.
0000044736 00000 п.
0000045117 00000 п.
0000046844 00000 п.
0000047603 00000 п.
0000048316 00000 п.
0000054548 00000 п.
0000054830 00000 н.
0000060232 00000 п.
0000109493 00000 п.
0000133917 00000 н.
0000134461 00000 н.
0000134591 00000 н.
0000149907 00000 н.
0000149946 00000 н.
0000149998 00000 н.
0000150047 00000 н.
0000150099 00000 н.
0000150148 00000 н.
0000150200 00000 н.
0000150254 00000 н.
