微波频率下水的介电特性的探讨

一、概述水在人们日常生活中是一种极其普通而又非常重要的资源,大家一刻也离不开它.工业生产中也是如此,尤其是在工业微波加热应用中,由于被加热物料中都不同程度地含有一定的水份,因此人们希望了解水在微波频率下的一些特性,即通常所说的介电特性.尽管近百年来各国科学家曾对水的介电特性进行了大量的研究,得出了许多人们所期望的特性.但到目前为止,这一研究并未停止,说明尚有许多人们并不彻底了解的特性需要探索.这也是为什么每年都要召开一次”电磁波与水及含水物质的相互作用”的国际会议的原因.今年五月在德国中部的维玛城召开了由”国际电磁测水0c59f8ea

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/学会{ISEMA}”组织的第六届学术年会.过去五年来,每年轮流在世界各地召开,其中一届选在亚州并在我国的台湾省台北市举行.在这些会议中,与会学者涉及的研究题目及范围有:不同束缚度下水的介电特性,水在生物组织中介质驰豫特性,水与物质混合的电磁规则和公式,测量固态和液态中含水量在时域和频域中的电磁传感器,农产品中静态和动态含水量的确定,土壤,雪和垃圾中含水量的测定,„„„..等等,内容非常广泛.但其核心问题仍然是水的基本介电特性,以及水与物质结合后的介电特性,这些特性在微波加热过程中都是极其重要的.二.水分子的特点众所周知，水是一种强极性分0c59f8ea

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/子，本身具有偶电距，水分子的直径约为（1.9～2.3）×米，其分子间距与直径相当，因此液态水分子是一个紧挨着一个地排列着，有点像固态，但它却无晶格结构，分子本身在其平衡位置振动外，又可缓慢移动，因此是一种形状不定的流体。在一摩尔体积内约有

6.025×个分子。水的分子式为H2O,但其中两个氢原子与一个氧原子却不在一条直线上，而相互间形成的夹角，正因为如此结构，使其分子的正负极性分离，于是形成了微观上的偶电距，因此是一种强极性物质。由于它的极化驰豫时间正好与微波周期相近，因此对微波具有良好的吸收效应，这种偶极子转向极化正是微波损耗的物0c59f8ea

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/理基础。

二、水的形态及存在形式水是一种最为常见的电介质，在零度（摄氏）以上时为液态的流体，在零度及零下负温度时变为固态的冰。它与许多物质可以结合，结合后可以以下述三种形式出现，即：1.自由水这是一种以物理机械能结合的水，它的结合能为

100

焦耳/摩尔，常存在于各种毛细间隙中；2.束缚水这是一种以物理化学结合的水，它的结合能为

3000

焦耳/摩尔，它与自由水相比，结合能要大

30

倍以上，它常吸附在介质表面与介质分子化学结合在一起，比较牢固，受分子间作用力的约束。0c59f8ea

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/3.结晶水这是一种化学结合水，存在于化合物结晶体的大分子链间，它的结合能更大，可达

5000

焦耳/摩尔。由于这三类水结合能的巨大差别，因此对微波加热来说去除自由水最为容易，只要在微波电场作用下，水分子达到蒸发或汽化的温度，即可从介质间隙或毛细管中渗出或导出；但对束缚水来说却要困难的多，束缚水与自由水的驰豫时间也不相同，前者的损耗峰存在于

1

千兆赫附近，而后者却存在于

18～25

千兆赫之间，并且与温度有关。要用微波去除结晶水更显得困难。由于目前微波加热应用中许多材料都含有不同程度的水分（包括自由水和束缚水），如烟草、棉花、木材、木板、皮0c59f8ea

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/草、纺织品、纸张、茶叶、各种食品、蔬菜、粮食„„，微波热疗中人体各种组织如皮肤、肌肉、血管、血液、淋巴、肝、肺、肾等有机体内部都不同程度的含有水的成分，有的比例还很高。因此利用微波可对这些材料进行诸如干燥、脱水、发酵、煮白、烘干、解冰、回原、杀虫、灭菌、软化、膨化、消解、萃取、固化、固色、烹调、活血化淤、消炎止痛、杀死癌细胞等。三、水的温度特性水在不同的温度下其介电特性会发生很大的变化，不管是介电常数的实部还是介电常数的虚部，都会随着温度的升高而单调地下降，其中尤以变得更快，从表中可以看出，水在

95℃时的是

5℃的十分之一左右，这就是说，低温的损耗要大于高温时的损耗。表一水的介质温度特性

f＝3

千兆赫形态冰水水水水水水水水水水水含0.1摩NaClT℃-125152535455565758595253.280.278.876.07470.767.564.060.556.55275.50.0039.47.56.04.94.03.22.418

因此微波在高温时的渗透

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/深度就要比低温时大的多，这一物理特性在水从低温时吸收微波功