Zastosowanie metod dielektrycznych do badania właściwości żywności

Zastosowanie metod dielektrycznych do 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) dielektryki Zdolność do przewodzenia prądu jest związana z budową wewnętrzną materiału: 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? E r próbka 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 są izolatorami, jest indukcja zjawiska polaryzacji.

Jeżeli na dielektryk nie działa zewnętrzne pole to każdy jego obszar pozostaje elektrycznie obojętny. V

Polaryzacja elektronowa: E r = 0 E r + + Pod wpływem zewnętrznego pola następuje przemieszczenie ładunków elektrycznych i wygenerowanie momentu dipolowego. Taki przypadek polaryzacji nazywa się polaryzacją elektronową.

Polaryzacja atomowa: E r = 0 E r Polaryzacja atomowa jest rezultatem zaburzeń geometrii cząsteczek lub przesunięcia atomów czy też jonów w sieci pod wpływem pola elektromagnetycznego

Polaryzacja dipolowa (orientacyjna): E r = 0 E r polarny niepolarny Jeżeli mamy do czynienia z cząsteczkami polarnymi to przyłożone, zewnętrzne pole powoduje częściową orientację cząsteczek wzdłuż linii pola. Mówimy wtedy o polaryzacji orientacyjnej (dipolowej).

Symetryczne cząsteczki dielektryka H H 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. E r = 0 E r polaryzacja elektronowa

Niesymetryczne cząsteczki dielektryka H + + + + H 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. E r = 0 E r - O polaryzacja orientacyjna

Pod wpływem pola, w wyniku oddziaływania z innymi atomami/cząsteczkami dielektryka, analizowana objętość V tego układu zyskuje określony moment dipolowy P. Jest on wypadkową elementarnych dipoli wszystkich cząsteczek/atomów dielektryka znajdujących się w analizowanej objętości. E r p ei r P = 1 V i p ei V Schematyczne przedstawienie zjawiska polaryzacji.

Związek pomiędzy zewnętrznym polem E a momentem dipolowym P przedstawia się następująco: P ε 0 = χ E χ podatność dielektryczna badanego układu ε 0 przenikalność dielektryczna próżni. Podatność dielektryczna χ definiowana jest jako: ε χ = ε 0 1

przy czym ε oznacza przenikalność dielektryczną badanego układu. Iloraz nazywa się często przenikalnością względną, odniesioną do wartości przenikalności próżni. ε ε 0 Spośród wszystkich ośrodków, najmniejszą przenikalność dielektryczną wykazuje próżnia. Wielkość ta, oznaczana 0, jest stałą fizyczną, której wartość, wynosi w układzie SI: ε 12 0= 8,854187817 10 F m

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 zobrazować następującą zależnością: P(t) P( t) = P 0 t τ ( ) e P(0) t gdzie P(0) to wartość wektora polaryzacji dla t=0 (t- oznacza czas w sensie doświadczalnym), natomiast τ oznacza czas relaksacji układu po odjęciu pola.

Przemiany fazowe a pomiary dielektryczne ε Dielektyk polarny: duże wartości przenikalności dielektrycznej a znaczny spadek wartości podczas krzepnięcia można tłumaczyć zamrożeniem orientacji dipolowej T Dielektryk niepolarny: niewielki wzrost przenikalności dielektrycznej w temperaturze krzepnięcia (ochładzanie) jest związany ze wzrostem gęstości T krzep

Pole elektryczne sinusoidalnie zmienne w czasie

Przenikalność dielektryczna wyznaczana w warunkach zmiennego sinusoidalnie pola elektrycznego jest wielkością zespoloną: ε* = ε ' + j ε" Część rzeczywista zespolonego modułu przenikalności dielektrycznej jest interpretowana jako względna przenikalność badanego układu. Część urojona zespolonych wielkości fizycznych jest najczęściej miarą rozpraszania energii przez badany układ. W tym przypadku nazywa się ją często współczynnikiem strat wynikającym z przewodnictwa i efektów relaksacji polaryzacyjnej.

Zależność polaryzacji od częstości pola elektromagnetycznego P efekt relaksacyjny polaryzacja dipolowa polaryzacja indukowana Polarne cząsteczki są zbyt bezwładne by orientować się tak szybko jak zmienne pole. Zanika polaryzacja orientacyjna rezonans ν fale radiowe mikrofale podczerwień światło widzialne nadfiolet 10 6-10 8 10 10-10 12 Hz

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 monodyspersyjne charakteryzuje 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 umożliwiają określenie momentów dipolowych cząsteczek a co za tym idzie niosą informacje 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 ν max 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 mikrofalową żywności (ogrzewanie) pomiary dielektryczne dają wgląd w jej efektywność. Największa efektywność działania mikrofal obserwowana jest wtedy gdy częstotliwość generatora mikrofal pokrywa się z maksymalnym ich pochłanianiem przez materiał ogrzewany Badania relaksacji dielektrycznej znajdują też zastosowanie przy badaniu żywności mrożonej. Na podstawie tych wyników uzyskuje się informacje o procesach starzenia i zmianach zachodzących podczas przechowywania żywności mrożonej.

Zastosowanie badań dielektrycznych do badania emulsji Dużym obszarem zastosowania badań dielektrycznych są wszelkiego rodzaju emulsje typu W/O i O/W. Zmiany wartości parametrów dielektrycznych w czasie pozwalają śledzić stabilność takich układów w trakcie np. produkcji czy przechowywania. zmiany geometrii kropli fazy rozproszonej Z dużym powodzeniem obserwowane są też zjawiska inwersji faz zachodzące w tych układach

Zastosowanie badań dielektrycznych 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 wyróżnić procesy nieezymatycznego brunatnienia żywności.

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 traktować orientacyjnie. Do poprawnego przeprowadzenia pomiaru należy dobrać celę pomiarową. 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 Przewodnictwo zależy od: stężenia, temperatury, ale przede wszystkim od charakteru chemicznego substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika κ przewodnictwo właściwe, Ω -1 m -1 Muszą być obecne jony mające możliwość przemieszczania się

konduktywność czyli przewodnictwo elektryczne właściwe admitancja drożność, czyli całkowite przewodnictwo G konduktancja czyli przewodność czynna B susceptancja czyli przewodność bierna (podatność) σ* = σ ' + j σ" Y* = G' + j B"