Zastosowanie metod dielektrycznychdo badania właściwości żywności

Ze względu na właściwości elektryczne materiały możemy podzielić na:

•Przewodniki (dobrze przewodzące prąd elektryczny)

•Półprzewodniki (to najczęściej ciała stałe, których zdolność do przewodzenia

prądu jest niewielka)

•Nadprzewodniki (m in. w pewnych warunkach zanika u nich opór

elektryczny)

•Izolatory (w ogóle nie przewodzą prądu) àààà dielektryki

Zdolność do przewodzenia prądu jest związana z budową wewnętrznąmateriału: z obecnością elektronów swobodnych.

Ciecze mogą przewodzić prąd elektryczny w przypadku obecności jonów, które posiadają możliwość transportowania ładunku elektrycznego. Takie roztwory nazywamy elektrolitami. Pojęcie elektrolitu jest szersze i obejmuje również materiały usieciowane w których mogą przemieszczać się swobodnie ładunki, substancje krystaliczne oraz materiały porowate nasączone roztworami jonowymi.

Jakie mogą być skutki oddziaływanie pola elektromagnetycznego na próbkę?

próbkaEr

•Przepływ prądu

•Namagnesowanie

•Polaryzacja

Czym są dielektryki?

Dielektrykami nazywa się układy (ciała stałe, ciecze, roztwory, gazy), w których nie występują swobodne nośniki ładunku elektrycznego (takie jak np.

jony).

W dielektryku ładunki nie mogą się swobodnie przesuwać, ale może dojść do

przesunięcia się ładunków elektrycznych dodatnich względem ujemnych

(powstaną dipole elektryczne). Makroskopowo postrzegamy to zjawisko jako

gromadzenie się ładunków na powierzchni dielektryka (obojętnego jako

całość).

Umieszczenie takiego układu w polu elektromagnetycznym powoduje powstanie w nim pola elektrycznego.

Powodem takiego zachowania układów, które w normalnych warunkach sąizolatorami, jest indukcja zjawiska polaryzacji.

Jeżeli na dielektryk nie działa zewnętrzne pole to każdy jego obszar pozostaje

elektrycznie obojętny.

∆∆∆∆V

Polaryzacja elektronowa:

+

0=Er

Er

+

Pod wpływem zewnętrznego pola następuje przemieszczenie ładunków

elektrycznych i wygenerowanie momentu dipolowego. Taki przypadek

polaryzacji nazywa się polaryzacją elektronową.

Polaryzacja atomowa:

Polaryzacja atomowa jest rezultatem zaburzeń geometrii cząsteczek lub

przesunięcia atomów czy też jonów w sieci pod wpływem pola

elektromagnetycznego

0=Er

Er

Polaryzacja dipolowa (orientacyjna):

Jeżeli mamy do czynienia z cząsteczkami polarnymi to przyłożone, zewnętrzne

pole powoduje częściową orientację cząsteczek wzdłuż linii pola. Mówimy wtedy o

polaryzacji orientacyjnej (dipolowej).

0=Er

Er

niepolarny

polarny

Symetryczne cząsteczki dielektryka

W przypadku, gdy cząsteczki dielektryka są symetryczne ich moment dipolowy

jest równy zero.

Środki ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych pokrywają się ze środkiem

symetrii cząsteczki.

H H

0=Er

Er

polaryzacja elektronowa

Niesymetryczne cząsteczki dielektryka

Jeżeli cząsteczki dielektryka nie mają środka

symetrii i środki ciężkości ładunków jąder i

elektronów są rozsunięte na pewną odległość to

moment dipolowy cząsteczki jest różny od zera

nawet gdy pole elektromagnetyczne jest

nieobecne.

H H

O

+ +

-

Er

0=Er

polaryzacja orientacyjna

H H

O

+ +

-

eip

Er

∑∑∑∑∆∆∆∆====

i

eipV

P1r

Schematyczne przedstawienie zjawiska polaryzacji.

Pod wpływem pola, w wyniku oddziaływania z innymi

atomami/cząsteczkami dielektryka, analizowana objętość ∆V tego układu zyskuje określony moment dipolowy P. Jest on wypadkowąelementarnych dipoli wszystkich cząsteczek/atomów dielektryka

znajdujących się w analizowanej objętości.

∆∆∆∆V

Związek pomiędzy zewnętrznym polem E a momentem dipolowym P

przedstawia się następująco:

EP ⋅⋅= χε 0

χχχχ podatność dielektryczna badanego układu

εεεε0000 przenikalność dielektryczna próżni.

Podatność dielektryczna χ definiowana jest jako:

1

0

−−−−====εεεεεεεεχχχχ

przy czym ε oznacza przenikalność dielektryczną badanego układu. Iloraz

nazywa się często przenikalnością względną, odniesioną do wartości

przenikalności próżni.

0εεεεεεεε

Spośród wszystkich ośrodków,

najmniejszą przenikalnośćdielektryczną wykazuje próżnia.

Wielkość ta, oznaczana 0, jest

stałą fizyczną, której wartość,

wynosi w układzie SI:

m

F12

0 01854187817,8−⋅=ε

W przypadku dielektryków jonowych (cieczy, roztworów, sieci krystalicznych z

wadami krystalograficznymi) przyłożone pole elektryczne wywołuje spontaniczne

przemieszczanie się jonów.

Powoduje to powstanie dipolowej polaryzacji relaksacyjnej. Narastanie tego

zjawiska w czasie, pod wpływem przyłożonego pola, a także jego zanik po

odjęciu pola odbywa się ze skończoną szybkością, co można zobrazowaćnastępującą zależnością:

( ) τt

ePtP−

⋅= 0)(

gdzie P(0) to wartość wektora polaryzacji dla t=0 (t- oznacza czas w sensie

doświadczalnym), natomiast ττττ oznacza czas relaksacji układu po odjęciu pola.

P(t)

P(0)

t

Dielektryk niepolarny: niewielki

wzrost przenikalności dielektrycznej

w temperaturze krzepnięcia

(ochładzanie) jest związany ze

wzrostem gęstościT

εεεε

Dielektyk polarny: duże wartości

przenikalności dielektrycznej a

znaczny spadek wartości podczas

krzepnięcia można tłumaczyć„zamrożeniem” orientacji dipolowej

Przemiany fazowe a pomiary dielektryczne

Tkrzep

Pole elektryczne sinusoidalnie zmienne w czasie

Przenikalność dielektryczna wyznaczana w warunkach zmiennego sinusoidalnie

pola elektrycznego jest wielkością zespoloną:

"'* εεεεεεεεεεεε ⋅⋅⋅⋅++++==== j

Część rzeczywista zespolonego modułu przenikalności dielektrycznej jest interpretowana jako względna przenikalnośćbadanego układu.

Część urojona zespolonych wielkości fizycznych jest najczęściej miarą rozpraszania energii przez badany układ.

W tym przypadku nazywa się jączęsto współczynnikiem strat wynikającym z przewodnictwa i efektów relaksacji polaryzacyjnej.

Zależność polaryzacji od częstości pola elektromagnetycznego

P

ν

polaryzacja dipolowa

efekt relaksacyjny

rezonans

fale radiowe mikrofale podczerwień światło widzialne nadfiolet

106 -108 1010-1012 Hz

Polarne cząsteczki są zbyt bezwładne

by orientować się tak szybko jak

zmienne pole.

Zanika polaryzacja orientacyjna

polaryzacja indukowana

Po zaniknięciu pola polaryzacja indukowana zanika natychmiast, natomiast

orientacyjna maleje w czasie, tak jak to zaznaczono wcześniej.

Czas relaksacji τ jest wielkością charakterystyczną dla danego dielektryka i zależy od rodzaju cząsteczki (budowy) i właściwości rozpuszczalnika (np.

lepkości w przypadku roztworów) i oddziaływanie cząsteczka-rozpuszczalnik.

Czas relaksacji rośnie ze wzrostem lepkości roztworu i maleje ze wzrostem

temperatury.

Skala czasu relaksacji jest związana ściśle z właściwościami substancji dielektrycznej i może być traktowana jako skala zachowania materiałowego.

W przypadku, gdy badany układ tworzą cząsteczki monodyspersyjnecharakteryzuje je jeden czas relaksacji. Oznacza to, że cząsteczki o tej samej

budowie mają jeden mechanizm relaksacji, co jest oczywiście związane z ich

budową i właściwościami rozpuszczalnika (w przypadku roztworów).

W ogólności jednak, a przede wszystkim w przypadku niektórych biopolimerów i

polimerów syntetycznych, należy rozpatrywać całe rozkład (widmo) czasów relaksacji. Fakt istnienia takiego rozkładu czasów związany jest z

polidyspersyjnością badanego materiału biologicznego.

Pomiary dielektryczne umożliwiająokreślenie momentów dipolowych cząsteczek a co za tym idzie niosąinformacje o geometrii cząsteczek i rozkładzie gęstości ładunku elektronowego

Ciekawych informacji o zachowaniu cząsteczek dostarczają wyniki badań

dielektrycznych prowadzonych w różnych temperaturach. Najczęściej bada się

wpływ temperatury na czas relaksacji dielektrycznej. Opracowanie wyników

pomiarów związane jest z określeniem bariery energetycznej, jaką musi pokonać

dipol podczas ruchu rotacyjnego wywołanego przyłożonym polem. Pojęcie to jest

analogiczne do ogólnie pojętej energii aktywacji i na jego podstawie można

określić zależność częstotliwości krytycznej νmax od temperatury. Oznacza to, że

można wyznaczyć taki obszar temperatur i częstotliwości, w którym straty energii

będą najmniejsze.

Zastosowanie badań dielektrycznych

pomiary tzw. wody związanej i

wody swobodnej w żywności

ważne ze względu na stosowanie

w dużej ilości środków wiążących

wodę w żywności

W badaniach nad obróbką mikrofalowążywności (ogrzewanie) pomiary

dielektryczne dają wgląd w jej

efektywność. Największa efektywnośćdziałania mikrofal obserwowana jest wtedy

gdy częstotliwość generatora mikrofal

pokrywa się z maksymalnym ich

pochłanianiem przez materiał ogrzewany

Badania relaksacji dielektrycznej znajdują teżzastosowanie przy badaniu żywności mrożonej. Na podstawie tych wyników

uzyskuje się informacje o procesach starzenia

i zmianach zachodzących podczas

przechowywania żywności mrożonej.

Dużym obszarem zastosowania badań dielektrycznych sąwszelkiego rodzaju emulsje typu W/O i O/W. Zmiany wartości

parametrów dielektrycznych w czasie pozwalają śledzić stabilnośćtakich układów w trakcie np. produkcji czy przechowywania.

zmiany geometrii kropli fazy rozproszonej

Z dużym powodzeniem obserwowane są teżzjawiska inwersji faz zachodzące w tych układach

Zastosowanie badań dielektrycznych do badania emulsji

Kolejnym obszarem zastosowania pomiarów

dielektrycznych jest śledzenie postępu reakcji. Dokonuje

się pomiarów w czasie w odpowiednio dobranych

warunkach częstotliwości i temperatury. Zebrane w ten

sposób dane umożliwiają w kilku temperaturach dane

doświadczalne stanowią typowy zestaw kinetyczny na

podstawie którego wyznaczyć można stałe czasowe

badanej reakcji.

Jako typowy przykład takich pomiarów można wyróżnićprocesy nieezymatycznego brunatnienia żywności.

Zastosowanie badań dielektrycznych

Jako aparaturę pomiarową wykorzystuje się precyzyjne mierniki RLC, mostki RLC lub analizatory sieci.

Mierniki RLC stosowane są w zakresie częstotliwości od 1Hz do 1MHz.

Mostki RLC pracują w zakresie od około 1mHz do 1GHz.

Natomiast analizatory sieci obejmują zakres około 100kHz do 100GHz. Przedstawione granice częstotliwości należy traktowaćorientacyjnie.

Do poprawnego przeprowadzenia pomiaru należy dobrać celępomiarową. Jest to odpowiednio skonstruowany kondensator pomiędzy okładkami którego umieszcza się badany materiał. Dobór kondensatora pomiarowego uzależniony jest od stanu skupienia materiału badanego, zakresu częstotliwości i zakresu temperatur.

Konduktometria czyli pomiar przewodnictwa roztworu elektrolitu

Muszą być obecne jony mające

możliwość przemieszczania się

Przewodnictwo zależy od:

•stężenia,

•temperatury,

•ale…

przede wszystkim od charakteru chemicznego

substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika

κ przewodnictwo właściwe, Ω-1m-1

"'* σσσ ⋅+= jkonduktywnośćczyli przewodnictwo elektryczne właściwe

admitancja

drożność, czyli całkowite przewodnictwo

"'* BjGY ⋅+=G – konduktancja czyli przewodność czynna

B – susceptancja czyli przewodność bierna (podatność)