Электролитические свойства зерна

14.07.2015

Сухое вещество зерна представляет собой полупроводник, повышение влажности влечет за собой изменение его электрофизических свойств; видимо, при этом не последнее значение имеет состояние воды в зерне.
Для характеристики этих свойств используют следующие показатели (определения даем): σ — электропроводность (удельная проводимость); ε — диэлектрическая проницаемость (диэлектрический коэффициент)— отношение энергии зарядки конденсатора с веществом к энергии поля в объеме вещества при одинаковой напряженности поля; tg8 — тангес угла потерь — тангенс угла дополнительного (до 90°) к углу сдвига фаз Между током и напряжением; K=εtgδ — коэффициент потерь — произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь.
Практическая важность этих показателей связана с тем, что установленная экспериментально их взаимосвязь с влагосодержанием зерна служит основанием для разработки методов и приборов для экспрессного определения влажности — электровлагомеров, которые в настоящее время используются достаточно широко..
Нас же в данном случае интересует не практическое использование полученных зависимостей, а сами зависимости в чистом виде, особенности их характера, что должно дать интересный материал к анализу взаимодействия зерна с водой.

Электролитические свойства зерна

Влияние влажности зерна на его электропроводность изучал С.А. Веселов. Полученные им данные приведены на рисунке 43. Начиная с влажности 16%, электропроводность быстро возрастает. Прежде всего это вызвано теми изменениями, которые претерпевает поглощенная зерном вода при переходе влагосодержания через область, соответствующую второй критической точке изотермы сорбции воды.
Данные по электропроводности оболочек и эндосперма зерна, полученные в этой работе, существенно не отличаются от данных для целого зерна. С.А. Веселов отмечает также, что диэлектрическая проницаемость различного по исходной характеристике зерна отличается меньше, чем электропроводность.
Холедэй, изучая электросопротивление зерна кукурузы, установил, что на ее величину сильно влияет характер распределения влаги по сечению зерна и в особенности содержание ее в поверхностных слоях.
По данным Суворова и Пикерсгиля, диэлектрическая проницаемость зерна с повышением влажности возрастает, причем наиболее заметно начиная с 16—18% влагосодержания. С повышением рабочей частоты от 0,5 до 30,0 мгГц влияние влажности менее заметно.
Подобная зависимость действительна и для тангенса угла потерь. В связи с этим произведение его на диэлектрическую проницаемость (коэффициент потерь) также изменяется в различном темпе до и после второй критической точки изотермы сорбции воды зерном. До влажности 13—14 % (т. е. до влагосодержания 15—16,5%) коэффициент потерь не зависит от рабочей частоты. Это наглядно показывает приведенный на рисунке 44 график, полученный Н.В. Книппер для пшеницы сорта Украинка.
На зависимость коэффициента потерь от влажности почти не влияют сортовые и другие особенности зерна. Так, Нельсон получил совершенно аналогичный график для озимой мягкой пшеницы сорта Бизон.
Электролитические свойства зерна
Электролитические свойства зерна

Более глубокий анализ позволяет выявить, как влияет влагосодержание на тангенс угла потерь. На рисунке 45 приведены графики, полученные посредством обработки данных С. С. Суворова. При невысокой влажности зерна графики для разных образцов зерна имеют неодинаковый наклон к осям. Далее, график для пшеницы II типа изломов не имеет, для пшеницы I типа, выращенной в Алтайском крае, получена одна критическая точка при влагосодержании 16,5%, для пшеницы IV типа, выращенной на Украине, — две точки при влагосодержании 17,5 и 22,0%.
Резкая разнохарактерность зависимости коэффициента потерь от рабочей частоты до критического влагосодержания и после него позволила Н.В. Книппер утверждать, что эта критическая точка определяет границу между связанной и свободной водой в зерне. На основании изложенного выше можно внести уточнение. Правильнее говорить о том, что в данном случае наблюдается переход от более сильно к менее сильно связанной влаге, поскольку в пределах гигроскопического влагосодержания вся влага в зерне связана. Вода, накопленная в микрокапиллярных межМолекулярных промежутках зерна, по термодинамическим свойствам не столь сильно отличается от свободной воды, чем влага монослоя и второго слоя. На наш взгляд, установленная Н.В. Книппер особенность указывает на образование молекулярных ассодиатов — гроздей воды вблизи активных сорбирующих центров. Об этом же свидетельствует и характер зависимости удельной теплоемкости и плотности связанной воды от влагосодержания зерна, что рассмотрено выше.
Таким образом, для всех показателей электрофизических свойств зерна обнаружена четко выраженная их зависимость от влагосодержания.
С.С. Суворов считает, что диэлектрическая проницаемость влажной пшеницы может быть определена по формуле
Электролитические свойства зерна

Аналогичная формула рекомендована им и для тангенса угла потерь пшеницы.
И.А. Васильева для зависимости электропроводности зерна от влажности получила формулу
Электролитические свойства зерна

Температура также непосредственно влияет на электрофизические свойства зерна. Причем это влияние в первую очередь связано с происходящим изменением состояния поглощенной зерном воды. На это, в частности, указывают данные С.С. Суворова. Им получено, что электросопротивление зернового слоя при повышении температуры снижается, причем тем заметнее, нем ниже влажность зерна.
Такую особенность можно объяснить, если учесть, что при повышении температуры свойства воды, связанной с большой энергией, должны измениться значительнее, чем воды, связанной слабее. Полученные в работе графики зависимости логарифма электросопротивления зерна от температуры распадаются каждый на два прямолинейных отрезка, причем критическое значение температуры tкр тем выше, чем ниже влажность зерна. Если сопоставить эту температуру с влагосодержанием зерна (рис. 46), то получим, что график 1 имеет излом при влагосодержании 16,5%. Это свидетельствует о непосредственной взаимосвязи температурного влияния на свойства зерна с его влажностью.
То же самое следует и из рассмотрения графика 2, который показывает зависимость температурного коэффициента электросопротивления зерна от его влагосодержания. Этот коэффициент определяется следующим выражением:
Электролитические свойства зерна

Вновь выявляется критическое значение влагосодержания.
По данным Пикерсгиля, с повышением температуры значения диэлектрической проницаемости возрастают, причем при большем влагосодержании зерна быстрее.
Все это показывает, что электрофизические свойства зерна имеют сложную зависимость от влажности и температуры. Это обусловило появление значительного количества систем электровлагомеров емкостного и кондуктометрического типов. Однако их возможности ограничены определенным интервалом влажности, а ошибка измерения зависит от значительного количества факторов. Тем не менее современные образцы влагомеров часто по точности не уступают стандартному методу определения влажности зерна. Повышение их точности ограничивается особенностями строения и химического состава зерна, а также особенностями процесса взаимодействия зерна с водой. В частности, большое влияние на показания электровлагомера кондуктометрического типа оказывает неравномерность распределения влаги но зерну.
Электролитические свойства зерна
Электролитические свойства зерна

Последнее обстоятельство позволило в наших опытах при определении коэффициента диффузии влаги для измерения влагосодержания поверхностных слоев зерновки использовать серийный электровлагомер ВЭ-2М. На рисунке 47 приведены экспериментальные результаты для случая «холодного» кондиционирования зерна кукурузы (процесс отволаживания) и активного вентилирования пшеницы. На первом графике точки соответствуют трем сериям определения влажности на влагомере ВЭ-2М, а сплошная линия построена по данным прямого определения влажности оболочек зерна кукурузы по специальной методике. При этом все же наблюдалась некоторая потеря влаги из оболочек. Снижение влажности оболочек при отволаживании происходит вследствие миграции ее во внутренние слои зерна. Это вызывает снижение электропроводности поверхностных слоев, что зарегистрировано на влагомере.
На рисунке 46, б также видно снижение влажности оболочек зерна, но уже в результате извлечения влаги из них при активном вентилировании. В этом случае обезвоживание поверхностных слоев снижает их электропроводность и слабый постоянный ток, используемый во влагомерах ВЭ-2М, оказывается не в состоянии преодолеть их возросшее электросопротивление. Поэтому влагомер ВЭ-2М показывает не. среднеинтегральную влажность зерна, а влажность оболочек. Через 1,5 ч происходит повторное снижение их влагосодержания. что, по всей вероятности, свидетельствует об углублении зоны испарения.
Таким образом, электровлагомер кондуктометрического типа можно использовать для контроля внутреннего влагопереноса в зерне.