Nghiên cứu phương pháp lựa chọn rượu mùi dùng pha chế coctail nền rượu tequila 3

MẪU 14KHCN 67 Chương 3 LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TRONG CẤP ĐÔNG 3 1 Tổng quan về trường điện từ 3 1 1 Khái niệm trường Trước khi thực hiện nghiên cứu về trường điện từ, chúng ta phải xác định khái niệm về trường Trường là một mô tả toán học, sự phụ thuộc vào không gian và thời gian của một đại lượng vật lý nào đó Giá trị ở mỗi điểm của một trường có thể được đo bằng thực nghiệm hoặc dự đoán bởi thực hiện các công thức toán học nhất định theo một số đại lượng khác Từ nghiên cứu của các n.

Chương LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TRONG CẤP ĐÔNG 3.1 Tổng quan trường điện từ 3.1.1 Khái niệm trường Trước thực nghiên cứu trường điện từ, phải xác định khái niệm trường Trường mơ tả tốn học, phụ thuộc vào không gian thời gian đại lượng vật lý Giá trị điểm trường đo thực nghiệm dự đốn thực cơng thức toán học định theo số đại lượng khác Từ nghiên cứu ngành khoa học, có hai loại trường trường vô hướng trường vectơ Trường điện từ dạng vật chất, tồn không gian xung quanh vật mang điện đứng yên hay chuyển động Trường điện Trường từ mặt phân chia Trường điện từ Khi điện tích đứng n, ta có trường điện Khi điện tích chuyển động, ta có trường từ Một số thơng số trường trình bày Bảng 3.1 Những mối quan hệ định đại lượng trường trình bày Bảng 3.2 Hằng số điện mơi (ϵ) độ thấm từ () thuộc tính môi trường Khi môi trường chân không không gian trống, giá trị chúng là: 0 = 4π.107 H/m; ϵ0 = 8,851.10−12 10−9/36π F/m Từ phương trình liệt kê Bảng 3.2, Maxwell dự đoán trường điện từ lan truyền chân khơng với tốc độ ánh sáng Đó là, c = (μ0.ϵ0 )−1/2 m/s Bảng 3.1 Bảng tóm tắt đại lượng trường điện từ Thơng số Kí hiệu Loại Đơn vị Tiềm véc tơ từ tính A vector Wb/m Mật độ từ thông B vector Wb/m2 (T) Mật độ thông lượng điện D vector C/m2 Cường độ điện trường E vector V/m Lực Lorentz F vector N Cường độ dịng điện I vơ hướng A Mật độ dịng điện J vector A/m2 Điện tích tự q vơ hướng C Vector Poynting S vector W/m2 Vận tốc điện tích tự u vector m/s Hiệu điện V vô hướng V 67 Bảng 3.2 Bảng tổng hợp phương trình vi phân liên quan đến trường điện từ D= E Hằng số điện môi (ϵ) (3.54) B = H Độ thấm từ () (3.55) J = E Độ dẫn điện () (3.56) Phương trình Lorentz (3.57)  D= Định luật Gauss (phương trình Maxwell) (3.58)  B=0 Định luật Gauss (phương trình Maxwell) (3.59) Phương trình liên tục (3.60) Định luật Faraday (phương trình Maxwell) (3.61) Định luật Ampere (phương trình Maxwell) (3.62) ( F = q E +u + B  J =− )  t  E = − B t  H = J + D t Trường điện từ bao gồm dạng: - Trường tĩnh : Trường không thay đồi theo thời gian Trường biến thiên (dao động): Trường thay đổi theo thời gian 3.1.2 Trường tĩnh Trong nghiên cứu tĩnh điện, điện trường tĩnh, giả thiết (a) tất điện tích cố định khơng gian, (b) tất mật độ điện tích khơng đổi thời gian (c) điện tích nguồn điện trường Mục đích để xác định (a) cường độ điện trường điểm nào, (b) điện phân phối, (c) lực tác dụng điện tích điện tích khác (d) phân phối điện vùng Định luật Coulomb định luật Gauss phương trình Poisson phương trình Laplace giúp thiết lập mối quan hệ Một số phương trình liên quan đến trường tĩnh điện trình bày Bảng 3.3 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp phương trình vi phân liên quan đến trường tĩnh Định luật Coulomb: F = qE Trường điện: E= Định luật Gauss: (3.63) QaR E = 4 R 4  D =   v  D.ds = Q  aR R2 dv (3.64) (3.65) s Trường nghịch từ:   E =  E.d =0 (3.66) c 68 b Hàm (hàm điều hòa): E = −V Vba = −  E.d (3.67) a Phương trình Poisson:  2V = − Phương trình Laplace: 2V = Mật độ lượng: e =  (3.68) (3.69) D E (3.70) Chúng ta biết điện tích chuyển động tạo dòng điện Nếu chuyển động điện tích bị hạn chế theo cách dẫn đến kết dịng điện khơng đổi theo thời gian, trường tạo gọi từ trường Vì dịng điện khơng đổi theo thời gian, từ trường không đổi thời gian Các trường liên quan đến từ tính khơng đổi gọi từ trường tĩnh Trong trường hợp này, cần quan tâm đến việc xác định (a) cường độ từ trường, (b) mật độ từ thông, (c) từ thông (d) lượng lưu trữ từ trường Để giải vấn đề này, định luật Biot-Savart định luật Ampere áp dụng để phát triển tất phương trình cần thiết Giữa điện trường tĩnh từ trường tĩnh mối tương quan Một số phương trình quan trọng cơng thức tính tốn trình bày Bảng 3.4 Bảng 3.4 Bảng tổng hợp phương trình vi phân liên quan đến trường dao động Phương trình lực: F = qu  B d F = I d  B Định luật Biot-Savart: dB = Định luật Gauss:  H = J  I d  ar 4 r2 (3.71) (3.72)  H d =I (3.73)  B.ds = (3.74) c   B = Từ vector: s  =  B.ds  = Từ thông: s  A.d (3.75) c Năng lượng từ: m = B H (3.76) Phương trình Poisson: 2 A = − J (3.77) 3.1.3 Trường biến thiên (dao động) theo thời gian Trong nghiên cứu mạch điện, phương trình vi phân biểu diễn điện áp rơi v(t) cuộn cảm L mang dịng điện i(t) Mối quan hệ sau: v=L di dt (3.78) 69 Đây kết nghiên cứu Michael Faraday (1791-1867) hướng tới hiểu biết tượng phức tạp gọi cảm ứng từ Định luật cảm ứng Faraday sau giải thích dẫn đến phát triển máy phát điện, động điện, relay máy biến Trên thực tế, bốn phương trình Maxwell phát biểu từ định luật Faraday Có thể nói định luật Faraday liên quan đến suất điện động cảm ứng e(t) cuộn dây thay đổi theo từ thông biến thiên (t) biểu thức: e=− d dt (3.79) Maxwell dự đoán trường lan truyền không gian trống với vận tốc ánh sáng Các phương trình điều chỉnh từ định luật Ampere cho trường biến thiên xem đóng góp đáng kể James Clerk Maxwell (1831-1879) lĩnh vực lý thuyết trường điện từ Định luật cảm ứng Faraday, định luật Ampere hiệu chỉnh hai Định luật Gauss (một cho điện trường biến thiên cho từ trường biến thiên) tạo thành bốn phương trình mà gọi chung phương trình Maxwell Các phương trình trình bày Bảng 3.2 Khi hạt có điện tích q chuyển động với vận tốc u vùng tồn điện trường biến thiên theo thời gian ( E ) từ trường trường ( B ), lực tương tác ( F ) là: ( F = q E +u + B ) (3.80) Phương trình gọi phương trình lực Lorentz Với hỗ trợ bốn phương trình Maxwell, phương trình liên tục phương trình lực Lorentz khoa học giải thích tất hiệu ứng điện từ 3.2 Đặc tính nước đơng lạnh Nước thành phần chủ yếu có tính hai mặt hầu hết nguyên liệu thực phẩm tươi sống Tính hai mặt nước có nghĩa nước thành phần thiết yếu giữ độ tươi thực phẩm, tích cực tham gia vào tất chế gây hư hại ảnh hưởng đến kết cấu, bề ngoài, chất lượng, việc gia tăng suy thối vi khuẩn, hóa học sinh hóa thực phẩm Nước thực phẩm tồn hai trạng thái, "khơng bị ràng buộc" "bị ràng buộc" Thứ nhất, thuật ngữ "nước không bị ràng buộc" để nước tự tồn cấu trúc mao mạch tế bào thực phẩm mà có tính chất vật lý hóa học nước tinh khiết Nước tự có sẵn thực phẩm hỗ trợ tăng trưởng vi sinh vật, tham gia hỗ trợ phản ứng hóa học enzyme trình hư hỏng Thứ hai, phần "nước bị ràng buộc" tức gắn với ion nước hydrat hóa, bị ràng buộc với bề mặt cấu trúc phân tử tế bào lớn Nước không tự để hỗ trợ tăng trưởng vi sinh vật, tham gia hỗ trợ phản ứng hóa học enzyme trình hư hỏng Tổng lượng nước bị ràng buộc thực phẩm không liên quan đến ổn định thực phẩm Trong q trình đơng lạnh, nước chuyển thành tinh thể băng hoạt độ nước thực phẩm giảm suy giảm lượng nước lỏng tự Hoạt độ nước bị 70 giảm giúp bảo quản thực phẩm thời gian lâu hơn, nhiệt độ cấp đông làm giảm tốc độ phản ứng hóa học hoạt tính vi sinh vật enzyme, kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm đông lạnh Mặc dù trình đơng lạnh gây suy giảm thấp màu sắc, hương vị, kết cấu giá trị dinh dưỡng ban đầu so với trình nhiệt khác thực phẩm dễ bị tổn thương mô mà trở lại trạng thái ban đầu thiệt hại nồng độ chất tan, thiệt hại nước thiệt hại học từ tinh thể băng Chất lượng thực phẩm đông lạnh coi tỷ lệ nghịch với mức độ nước tế bào bị đóng băng, kích thước tinh thể băng vị trí chúng bên thực phẩm[22], [23] Đông lạnh Cryo biết đến phương pháp đông lạnh nhanh tạo hình thành tinh thể băng nhỏ nhiều mà thích hợp để giảm thiểu thiệt hại cho cấu trúc tế bào Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp đơng lạnh là: chi phí lượng cao, tác động mơi trường tính nhạy nhiệt số sản phẩm làm rạn nứt chí làm vỡ cấu trúc ngâm trực tiếp nhiệt độ cực thấp Những tác động điện trường từ trường đến đặc tính nước trình bày sau đây, liên quan lớn đến tính chất phân tử nước Do đó, điều quan trọng tìm hiểu đặc trưng phân tử nước tương tác vĩ mô chúng Nước hợp chất quan trọng Trái Đất; có mặt khắp nơi hầu hết tất phần mặt đất Mặc dù phân tử nước hợp chất hoá học bé nhỏ, đơn giản, chúng lại có tính chất kỳ lạ bất thường[24] Điển hình nước giản nở đóng băng, nặng trạng thái lỏng oC, có nhiệt dung riêng độ nhớt lớn Hầu hết đặc tính bất thường làm cho nước có tính chất độc đáo so với chất lỏng khác mạng tinh thể nước thơng thường có hình dạng tứ diện bao bọc nguyên tố hydro[25] Nhiều nỗ lực thực để đo lường, mô tính tốn đặc trưng cấu trúc nước (vượt ngồi khái niệm phân tử H2O) Khó khăn nhiệm vụ tương tác phân tử nước mạng lưới liên kết hydro hình thành tham gia nhiều phân tử Các phức tạp vấn đề liên quan đến hiệu ứng lượng tử hạt nhân, lượng kết hợp dị thường hai phân tử liên kết với hydro điều chỉnh phân tử khác tiến đến gần[26]–[29] Đặc tính xác định tính hợp tác phân tử nước [26] Martin Chaplin mô tả 63 tính chất dị thường nước liên quan đến mạng lưới liên kết hydro trang web: http://www.lsbu.ac.uk/water/ Trước tập trung vào phân tử nước tương tác phân tử lân cận nó, nên mơ tả phân tử nước có cấu trúc thực thể riêng biệt không bị ảnh hưởng Hai nguyên tử nhẹ hydro nguyên tử oxy, có khối lượng 16 lần lớn hơn, phân tử nước Hai mối liên kết sigma (σ) cộng hóa trị giữ hai nguyên tử hydro oxy lại với Hai trục xoay khác biệt khối lượng làm tăng tính dễ dàng xoay chuyển động tương đối đáng kể hạt nhân hydro (Chaplin, 2013)[5] Các mối liên kết oxy hydro có cực, có đặc tính ion phần 40% Hình học phân tử nước coi xếp tứ diện lý tưởng, với góc liên kết 105o hai nguyên tử hydro dạng nước lỏng góc lớn 109o6’ hydro dạng Khoảng cách hạt nhân (internuclear) oxy nguyên tử hydro 0,96 A°, bán kính van der Waals oxy 71 hydro tương ứng 1.40A° 1.20A°, [4], [30] Nguyên tử oxy thu hút hydro mạnh nhiều chúng với độ điện âm Sự phân bố bất đối xứng mật độ electron nguyên tử sinh điện tích dương nhẹ lên nguyên tử hydro điện tích âm nhẹ lên nguyên tử oxy [31] Các đặc trưng cung cấp cho phân tử nước moment lưỡng cực khả phân cực lớn Sự phân cực làm cho chúng tương tác với tạo thành mạng lưới gồm nhiều liên kết phân tử hydro với lân cận gần chúng Mỗi phân tử nước tạo thành đến bốn liên kết hydro Oxy hình thành liên kết hydro với hai nguyên tử hydro, trong hai hydro có sẵn để tạo thành liên kết Đây điểm lưu ý quan trọng liên kết hydro yếu so với loại liên kết khác Vì lý này, nước lỏng cấu trúc thay đổi liên tục kết hydro bị bẻ gãy tạo thành Do mạng liên kết hydro yếu phân cực phân tử, nước đặt trường điện, khơng đáp ứng thơng qua tương tác moment lưỡng cực với trường mà cịn phân tử có khả lưỡng cực lớn, moment lưỡng cực tăng lên diện trường Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hạt nhân hình học phân tử nước Nói cách đơn giản, đơng lạnh q trình qua nước biến thành băng làm lạnh Nhưng mô tả sơ sài chuyển pha nước thành băng ẩn giấu nhiều tượng mà chưa giải thích đầy đủ Cấu trúc nước lỏng đặc tính riêng đề cập trước tác động biến đổi thành vật chất trạng thái rắn Đơng lạnh nước chia ba giai đoạn Đầu tiên giai đoạn làm lạnh, nhiệt bị lấy đi, nhiệt độ nước hạ xuống đến điểm đông đặc Bước giai đoạn chuyển tiếp pha, bao gồm phát triển hạt nhân tinh thể Cả hai bước xem trình kết tinh Vào đầu trình này, nước làm lạnh xuống điểm đông đặc tiếp tục trạng thái lỏng Ở điểm tới hạn (nhiệt độ tạo mầm băng), giảm nhiệt độ ngừng lại nhanh chóng gia tăng đến điểm đông đặc Hiện tượng gọi siêu lạnh, thuật ngữ dùng để định lượng trình gọi mức độ lạnh Nó định nghĩa chênh lệch điểm đơng đặc nhiệt độ tạo mầm băng Tầm quan trọng nhiệt độ tạo mầm điểm mà hạt nhân tạo Khi nhiệt độ quay lại điểm đơng đặc, ổn định khoảng thời gian tăng trưởng tinh thể xảy lúc với giải phóng nhiệt ẩn đông đặc Khi hầu biến thành băng, nhiệt độ hệ thống có khuynh hướng cân với nhiệt độ môi trường làm lạnh giai đoạn cuối trình (tempering stage) Các tương tác cấu tạo hạt nhân tăng trưởng tinh thể quan trọng, chúng gây thay đổi kích cỡ, phân bố hình thái tinh thể băng 72 sinh Ngoài ra, nước giảm khối lượng riêng hóa rắn, làm tăng góc hai nguyên tử hydro tăng kích thước tinh thể băng[5] Sự khác cấu trúc tinh thể băng rắn nguyên tử hydro bị rối loạn, nguyên tử oxygen giữ vị trí cố định [5] Nhiều nghiên cứu thực nghiệm mô cơng bố để ước tính dự đốn cấu trúc tinh thể băng [31], [32] Trong xã hội đại, việc bảo quản sử dụng chủ yếu để đảm bảo chất lượng chế độ ăn uống người, giảm thiểu mát thực phẩm tạo thuận lợi cho vận chuyển Đông lạnh kỹ thuật sử dụng rộng rãi để bảo quản thực phẩm quy mơ gia đình cơng nghiệp Khi so sánh với kỹ thuật bảo quản khác, đông lạnh phương pháp thuận lợi giảm hoạt động vi sinh vật enzyme mà khơng sử dụng chất bảo quản gia nhiệt, làm thay đổi cấu trúc tự nhiên đặc tính thực phẩm Sự đông lạnh thực phẩm dựa chuyển pha nước không liên kết thành băng Cụ thể hơn, thời gian đóng băng, hệ sinh học đạt đến nhiệt độ tạo mầm, nhóm hạt nhân hình thành ngoại bào nội bào Mầm hạt nhân sau phát triển thành sợi dẫn đến tăng trưởng tinh thể, kích thước chúng phụ thuộc vào nhiều thông số đông lạnh Nước thành phần chiếm ưu hầu hết hệ thực phẩm Trong thời gian đông lạnh, phần lớn mẫu thực phẩm biến thành băng đá Do đó, kích thước tinh thể băng ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuối thực phẩm đơng lạnh, chúng gây ứng suất học thiệt hại đến cho cấu trúc tế bào, cụ thể làm suy giảm kết cấu, màu sắc, hương vị giá trị dinh dưỡng thực phẩm Như đề cập, đặc điểm phân cực điện tích bất đối xứng chúng, phân tử nước tương tác với thông qua liên kết hydro Các tính chất cho thấy nước coi hệ thống tĩnh điện hoàn toàn[33] Tận dụng lợi việc phân tử nước chịu ảnh hưởng diện nhiễu từ điện trường, năm gần số nghiên cứu tiến hành nhiều kỹ thuật tiên tiến sáng chế giới thiệu để điều khiển mầm hạt nhân băng tăng trưởng tinh thể theo đông lạnh Đặc biệt, công nghệ áp dụng nhiễu điện từ đông lạnh đề xuất[34]–[36] Do đó, việc lựa chọn phương pháp cấp đông làm tăng chất lượng thực phẩm đông lạnh giảm chi phí suất tiêu hao lượng có tầm quan trọng lớn ngành công nghiệp thực phẩm đông lạnh Những thập kỷ qua, số nghiên cứu nhiều công nghệ giới thiệu mang lại tiềm tăng chất lượng thực phẩm đông lạnh giảm chi phí lượng Các phương pháp đơng lạnh phân thành ba nhóm khác theo cách tiếp cận chúng - Cải thiện tốc độ truyền nhiệt q trình đơng lạnh đơng lạnh hóa lỏng hydro va chạm, - Thay đổi tính chất nguyên liệu thực phẩm protein tạo mầm băng protein chống đông - Các phương pháp cấp đơng hỗ trợ làm thay đổi tạo mầm, tăng trưởng tinh thể tốc độ tạo mầm nguyên liệu thực phẩm trình cấp đông cấp đông áp suất cao, cấp đông hỗ trợ vi sóng, cấp đơng hỗ trợ tần số vô tuyến, cấp đông nhờ từ trường cấp đông nhờ điện trường[37] 73 3.3 Các biến đổi pha nhiễu điện Mặc dù tượng đông lạnh nhiễu loạn điện biết đến từ năm 1861, nỗ lực để tạo tạo mầm băng giọt nước siêu lạnh trường điện cao áp Rau thực vào năm 1951 Công nghệ sử dụng để tạo tạo mầm phân tử hữu trình kết tinh Các cách tiếp cận phương pháp khác đề xuất lĩnh vực đông lạnh điện[6] Chúng phân chia thành hai loại chung: Bề mặt tích điện điện trường đặt bên ngồi điện trường tĩnh mà điện cực khơng tiếp xúc với mẫu Các thí nghiệm chứng minh hiệu phương pháp luồng điện tích phương pháp điện trường tĩnh để tạo tạo mầm băng làm giảm mức độ siêu lạnh cách gia tăng nhiệt độ tạo mầm [8] Việc ứng dụng luồng điện tích hay điện trường tĩnh để điều khiển tượng tạo mầm qua q trình lặp lại dự đốn Orlowska cộng [34], Petersen cộng [38] (a) điện cực platin hình trụ; (b) lớp băng mỏng, phát triển mặt trước điện cực trực tiếp sau áp dụng xung điện; (c) hình thành tinh thể băng hình dạng ngơi bắt nguồn từ tinh thể sơ cấp Hình 3.2 Hình ảnh vi mô tạo mầm băng gây điện cực[38] Moment lưỡng cực điện nội khả phân cực lưỡng cực phân tử nước làm cho nước thành vật liệu điện môi chịu ảnh hưởng trường điện ứng dụng Louis Dufour nhà khoa học cố gắng áp dụng trường điện để làm siêu q lạnh nước nhằm giải thích tình trạng đóng băng giọt nước khí vào năm 1861 Kể từ đó, ngồi phương pháp tiếp cận mơ hình hố lý thuyết, số nghiên cứu thực nghiệm tiến hành để giải thích dự báo tác động trường điện đến đặc tính nước Nhiều nghiên cứu động lực học phân tử cho thấy lưỡng cực nước phân cực theo hướng từ trường tĩnh đặt bên Tùy thuộc vào nhiệt độ cường độ từ trường tĩnh áp dụng mà chúng phá vỡ làm suy yếu liên kết hydro tồn nước, kết tổ chức xếp lại phân tử nước[5], [39]–[41] Một số nghiên cứu đánh giá tác động điện trường áp dụng lên tính chất nước, từ điểm kết đơng quan sát được, thấy điện trường có liên quan đến chuyển pha nước thành băng Các nghiên cứu ảnh hưởng rối loạn điện thuộc tính băng-nước chia thành hai lĩnh vực cần quan tâm Việc tác động điện trường tĩnh bên thứ hai tác động điện trường bên phương pháp nhúng bề mặt tích điện [34]–[36], [42]–[44] Trong nghiên cứu gần đây, Guggenheim [3], Marand cộng [45], công bố phương pháp nhiệt động liên quan đến ảnh hưởng từ trường tĩnh sở 74 lượng tự Gibbs thay đổi pha chất lỏng Nghiên cứu đánh giá lượng tự Gibbs đến hình thành hạt nhân hình cầu Khi khơng có điện trường tác động, lượng tự Gibbs, ∆G0, mơ tả phương trình tổng qt sau: ∆G0 = ∆Gs + ∆Gv (3.81) Trong ∆Gs ∆Gv lượng tự diện tích thể tích Xét vật hình cầu phương trình (3.1) chuyển thành phương trình (3.2) G0 = 4 r 2 −  r 3Gv (3.82) với r bán kính hình cầu,  lượng tự bề mặt ∆Gv lượng tự chuyển đổi đơn vị thể tích Khi hệ chịu điện trường tĩnh E, tương ứng có phân cực P Dưới điều kiện này, lượng tự hệ thống GE thường mơ tả phương trình sau đây: GE = U − TS + pV − [VC E( 0 r E + P)] (3.83) VC thể tích hệ cầu chịu điện trường, εr số điện môi tương đối hệ, ε0 số điện mơi chân khơng Phương trình cuối đề nghị Orlowska cộng (2009)[34], biểu diễn lượng tự Gibbs hạt nhân hình cầu tác động điện trường tĩnh: GE = 4 r 2 −  r (Gv + PE ) (3.84) Như thấy khác việc xác định lượng tự Gibbs có khơng có từ trường tác động Các định luật nhiệt động lực tổng quát liên quan đến tạo mầm băng với lượng tự Gibbs tạo mầm băng xảy lượng tự hệ cực tiểu Trong phương trình (3.84), lưu ý thành phần liên quan đến phân cực hệ cường độ điện trường gây suy giảm lượng tự hệ, nhiệt độ entropy Từ giả thuyết nhiệt động dự đoán việc áp dụng điện trường vào q trình đơng lạnh nước làm tăng cường trình tạo mầm băng hình thành tinh thể băng sớm hệ thống 3.4 Từ trường biến đổi pha Từ trường có khả ảnh hưởng đến tính chất nước Bằng chứng lớn tượng thủy triều tất vùng biển toàn hành tinh Chuyển động thủy triều nước biển có liên quan đến từ trường Trái đất Mặc dù, nước có mơmen lưỡng cực điện bên lại khơng có mơmen lưỡng cực từ Nước coi vật liệu từ tính, có nghĩa mơmen lưỡng cực từ phát triển tác động từ trường bên Từ trường yếu có ảnh hưởng nhỏ đến nước, từ trường mạnh (>10 T) tác dụng đủ lực để đẩy nước chống lại trọng lực [11], [46], [47] Monte Carlo thực mô để khám phá ảnh hưởng từ trường bên đến lượng bên khả nhiệt nước tinh khiết [48] Các nghiên cứu cho thấy có 75 thay đổi đáng kể lượng bên công suất nhiệt xảy mật độ từ thơng khoảng 0,2 T Ngồi ra, hàm phân phối hướng tâm cho thấy thay đổi biên độ cấu trúc nước tăng cường cường độ từ trường tăng dần Theo tác giả, từ trường bên ngồi làm suy yếu chí phá vỡ liên kết hydro làm tăng số lượng phân tử nước đơn phân [48] Độ từ hóa nước tăng theo cường độ từ trường theo thời gian Tuy nhiên, từ trường bên biến mất, người ta chứng minh hiệu ứng từ hóa khơng biến [49] Hiện tượng gọi hiệu ứng nhớ nước nhiễm từ Năm 2009, Cai cộng [50] công bố cách tiếp cận liên quan đến ảnh hưởng từ trường lên liên kết hydro nước Trong thí nghiệm đó, tác giả sử dụng nước tinh khiết tuần hồn với lưu lượng khơng đổi từ trường (0,5T) Sức căng bề mặt giảm tác động từ trường độ nhớt tăng theo thời gian Sự giảm sức căng bề mặt cho thấy lượng kết dính phân tử nước chất lỏng giảm, điều có nghĩa cấu trúc mạng nước trở nên mạnh mẽ hơn, xác minh nghiên cứu cộng hưởng từ hạt nhân proton Trong nghiên cứu gần đây, Pang cộng [9] xác nhận ảnh hưởng từ trường (MF) đến sức căng bề mặt Nghiên cứu báo cáo cường độ dòng điện độ dẫn điện nước từ hóa lớn nước tinh khiết Điều quan trọng áp dụng điện trường từ trường kết hợp cho hệ thống liên quan đến nước Mặc dù có số nghiên cứu công bố liên quan đến ảnh hưởng từ trường lên tính chất nước, thiếu nghiên cứu ảnh hưởng từ trường đến kết đông nước Tagami cộng [11]đã nghiên cứu hóa rắn nước từ tính nam châm hybrid gồm nam châm làm mát nước bên nam châm siêu dẫn bên có khả tạo từ trường lên đến 23 T Trong thí nghiệm, tác giả quan sát thấy tạo mầm tinh thể bị triệt tiêu trạng thái siêu lạnh nước ổn định Q trình hóa rắn bắt đầu đột ngột, hình thành lớp vỏ băng lập tức, điều kiện đoạn nhiệt làm giảm tốc độ hóa rắn khơng tồn truyền nhiệt nhiệt ẩn đông đặc Năm 2000, ảnh hưởng từ trường tĩnh lên đặc tính hóa rắn giọt nước điều kiện khí nghiên cứu Aleksandrov cộng sự[12] Họ phát mức độ siêu lạnh nước cất giảm cường độ từ trường tăng lên Cụ thể hơn, cường độ từ trường áp dụng dao động từ đến 0,505 T mức độ siêu lạnh giảm từ 7,6C xuống gần 0C Những kết cho thấy mức độ siêu lạnh đạt đến giá trị ngưỡng 0C từ trường 0,505 T, cường độ từ trường cao dự đốn khơng ảnh hưởng đến trình tạo mầm Các tác giả tuyên bố từ trường hỗ trợ định hướng trật tự hạt nhân, nhờ hiệu ứng nghịch từ, tăng cường kết đông mức độ siêu lạnh thấp Inaba cộng [13] thực nghiên cứu ảnh hưởng từ trường lên trình tan chảy nước tinh khiết nước nặng cách sử dụng máy đo quét vi sai siêu phân giải siêu nhạy (DSC) Kết rằng, hai dạng nước thử nghiệm, nhiệt độ nóng chảy cao từ trường T Sự thay đổi nhiệt độ trình chuyển pha tỷ lệ với bình phương từ trường Suzuki cộng [14] nghiên cứu ảnh hưởng từ trường yếu (khoảng 0,0005 T) trình cấp đông số loại thực phẩm tủ đông có trang bị máy phát từ trường Nghiên cứu bao gồm so sánh đường cong cấp đông, hao hụt hàm lượng nước, đánh giá hóa lý màu sắc kết cấu, quan sát cấu trúc vi mô đánh giá cảm quan Các tác giả 76 thấy so với thí nghiệm đối chứng, từ trường yếu khoảng 0,0005 T khơng có khác biệt đáng kể nhiệt độ q trình kết đơng với chất lượng thực phẩm đông lạnh điều kiện thí nghiệm Kết họ phù hợp với nghiên cứu nói ảnh hưởng cường độ từ trường nước lỏng Ảnh hưởng từ trường lên trình kết tinh nước có ý nghĩa tích cực chất lượng vật liệu đông lạnh Dựa vào kết ban đầu nhà khoa học cơng bố lĩnh vực cho thấy tính khả quan ứng dụng từ trường cấp đông thực phẩm Do đó, việc áp dụng nhiễu từ q trình cấp đơng lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu 3.5 Công nghệ tạo trường điện từ cấp đông Trong thập kỷ qua, ba công nghệ điện từ, bao gồm trường điện cao áp, từ trường, tần số vô tuyến, thử nghiệm cho đông lạnh thực phẩm [34], [35], [44], [51] 3.5.1 Cấp đông hỗ trợ điện trường Điện trường chia thành hai loại, điện trường dao động (OEF) điện trường tĩnh (SEF) Loại đầu sử dụng chủ yếu để cấp nhiệt nước tinh khiết (cấp nhiệt điện môi), loại sau sử dụng chủ yếu cho đông lạnh sản phẩm Cơ chế OEF xoay phân tử nước đáp ứng với điện trường áp dụng, phân tử nước thuộc loại vật liệu điện môi đặc trưng moment lưỡng cực điện nội OEF tần số radio vi sóng coi phương pháp ưa thích cho rã đơng nhanh vật chất đông (cryo-materials)[52] Đối với thực phẩm đông lạnh, OEF ngăn chặn hình thành băng nâng cao mức độ siêu lạnh, mà có lẽ quy cho việc tái phân bố lại phân tử nước điện trường Jackson cộng sự[53] nghiên cứu ảnh hưởng OEF cho việc kiểm nghiệm dung dịch ethylene glycol, thấy OEF 2,45GHz giảm lượng băng hình thành Các nghiên cứu Sun cộng sự[4] cho thấy OEF 50 kHz giảm kích thước tinh thể nước đá đến mức tối thiểu Ngược lại, đông lạnh SEF với cường độ cao sử dụng để tăng nhiệt độ tạo mầm nâng cao chất lượng vi cấu trúc thực phẩm đơng lạnh[44] Nói chung, phân tử nước phân cực mạnh cấu trúc lưỡng cực đặc trưng Bởi moment lưỡng cực, diện điện trường, phân cực lưỡng cực nước xếp lại phân tử nước di chuyển theo hướng điện trường Có cụm phân tử nước dạng lỏng, nối với liên kết hydro dường cấu hình rắn Do tượng tái định hướng, liên kết hydro trở nên mạnh mẽ Kết là, cấu trúc cụm nước thay đổi, minh chứng mô động lực phân tử thực số nhà nghiên cứu [4], [43], [54]–[56] Ví dụ, Shevkunov Vegiri [54] chứng minh cụm nước hội tụ thành trạng thái gần thẳng cường độ điện trường 1,5.107 V/m, lưỡng cực theo hướng nhỏ 90o với hướng trường Các hạt nhân băng có liên quan đến tụ tập phân tử ổn định nhỏ, thúc đẩy trình SEF Tuy nhiên, nghiên cứu ban đầu, có hai ý kiến khác thay đổi cuối cấu trúc nước trình SEF Một mặt, trình SEF phân tử nước kết nối tốt trở thành cấu trúc hỗn hợp rắn-băng, pha lỏng[3] Mặt khác, mơi trường nước biến thành trạng thái rắn, chẳng hạn băng loại I, độ lớn điện trường đồng lên tới 5.109 V/m [42] Sau đó, Sun 77 cộng (2006) [4] mô tập phân tử -15oC cường độ đến 8.109 V/m ghi nhận q trình SEF hệ nước có cấu trúc băng đá Mặc dù kết thu tay hai khác số khía cạnh, hai chứng minh SEF hiệu để khởi tạo mầm băng đá lật ngược kết mà SEF khơng có tác động tích cực lên đóng băng nghiên cứu trước Hơn nữa, nghiên cứu Orlowska cộng sự[34] cho thấy nhiệt độ mầm tăng với gia tăng điện áp áp dụng Cường độ SEF có mối quan hệ tích cực với mức độ siêu lạnh theo nghiên cứu Sun cộng sự[40] Nói chung, cấu trúc thực phẩm trì tạo mầm băng đá mức độ siêu lạnh điều khiển Hầu hết nghiên cứu [4], [34], [35] SEF chủ yếu thực mơ hình hệ thực phẩm dung dịch nước thay sản phẩm thực phẩm thực, để giảm thiểu tượng truyền nhiệt đối lưu bên sản phẩm Gần đây, Xanthakis cộng [51] nghiên cứu q trình đơng lạnh thịt lợn hỗ trợ SEF 12kV với mức độ siêu lạnh thay đổi từ 3,93±1,3°C đến 1,92±1,45°C Các kết cho thấy kích thước tinh thể băng đá giảm đáng kể từ 32,79±4,04μm đến 14,55±8,20μm, cường độ điện trường tăng từ đến 12kV Tất nghiên cứu SEF cung cấp chứng mạnh mẽ cho thấy SEF có tác động tích cực vào q trình đơng lạnh thực phẩm, bao gồm việc khởi tạo mầm băng giảm thiểu thiệt hại cấu trúc thực phẩm đơng lạnh Bên cạnh tình trạng ban đầu mẫu đông lạnh, yếu tố ảnh hưởng đến việc khởi tạo mầm đá SEF bao gồm đặc điểm điện cực hình dạng vật liệu điện cực thơng số điện trường Thậm chí q trình làm lạnh thực điện áp cao, độ lớn thực điện trường tiêu tán thay đổi hệ khác Hozumi cộng [44] nghiên cứu tác động vật liệu điện cực lên q trình đơng lạnh hỗ trợ SEF Sáu vật liệu, bao gồm nhôm, đồng, Argentum, Aurum, bạch kim carbon, sử dụng Thấy mức độ siêu lạnh thấp đạt nhôm sử dụng, ứng dụng cacbon dẫn đến mức độ siêu lạnh cao Hozumi cộng [36] so sánh tác dụng điện cực hai hình dạng khác (độ sắc nhọn phẳng) lên q trình đóng băng cho thấy mức độ siêu lạnh thấp điện cực với bề mặt phẳng sử dụng Bên cạnh việc áp dụng SEF điện áp cao, điện áp thấp áp dụng Okawa cộng báo cáo SEF điện áp mức thấp đáng kể từ 30-120V tăng cường trình làm lạnh ngâm -6°C -8°C Tuy nhiên, việc tăng cường điện trình làm lạnh không đáng kể SEF 50V -2oC sử dụng [44] Đáng ý trình SEF nói trước tất điện trường chiều DC Hơn nữa, điện trường xoay chiều cho thấy số tiềm ảnh hưởng đến q trình đơng lạnh, bao gồm việc gia tăng mức độ siêu lạnh ngăn cản hay làm chậm tạo mầm băng tức thời [39] Ví dụ, AC-EF dùng để ngăn cản hình thành tinh thể băng đá lên bề mặt kem đá, công bố sáng chế Kim cộng [57], cho thấy AC-EF điện áp tần số vơ tuyến gây sốc phân tử nước lưỡng cực Như thấy, hiệu ứng đông lạnh hỗ trợ AC-EF khác với hiệu ứng đông lạnh hỗ trợ DC-EF Theo hiểu biết chúng tơi, khơng có nghiên cứu ghi nhận ứng dụng AC-EF lên đông lạnh thực phẩm 3.5.2 Cấp đông hỗ trợ từ trường Từ trường phát triển để đạt đông lạnh nhanh chóng, đặc biệt sản phẩm có tính chất điện từ nhiệt [12] Tương tự điện trường, từ trường 78 chia thành hai loại, từ trường dao động (OMF) từ trường tĩnh (SMF) Nước đặc trưng tính nghịch từ khơng có moment lưỡng cực từ nội Do đó, dễ dàng phát triển thành moment lưỡng cực từ theo từ trường Khi nói đến đông lạnh mẫu diện MF, đặc biệt cần ý đến khởi tạo moment từ trì mơmen từ Vì liên kết hydro phân tử nước trở nên mạnh từ trường, chúng thường phân bố ổn định, điểm tan chảy độ dẫn nhiệt nước tăng đồng thời [13][58] Nghiên cứu Iwasaka Ueno [59]nhận thấy việc tăng cường sức bền liên kết hydro 14T SMF kết hợp với quang phổ cận hồng ngoại phân tử nước Mặc dù chế tác dụng MF lên phân tử nước khác với tác động EF, MF làm giảm mức độ siêu lạnh, lợi MF Aleksandrov cộng [12] nhận thấy mức độ siêu lạnh tới hạn giảm với gia tăng SMF khoảng 0-0,5T, tương tự tác dụng DC-SEF đề cập trước Siêu lạnh khơng đáng kể hóa rắn xảy cường độ MF cao 0,5T Mặt khác, theo sáng chế Norio Satoru [58] cho nước trạng thái siêu bền diện MF mức độ siêu lạnh cao tạo ra, mẫu đơng lạnh nhanh nhiệt độ giảm đến mức độ thấp MF khử Từ trường quay từ trường biến đổi tuần hoàn, làm quay phương vị đường trung tâm tan chảy Một số cực từ đặt vị trí phương vị đặn kết nối với pha nguồn điện AC đa pha sinh từ trường xoay Vì bên cạnh tác động SMF vào mức độ siêu lạnh, đóng băng từ tính xoay điều khiển tăng trưởng băng dẫn đến hình thành tinh thể băng đồng mà khơng có xuất nhóm gộp tinh thể Nghiên cứu Wang cộng [60] thấy tinh thể băng đồng nhỏ hình thành từ trường xoay với cường độ thấp, từ trường xoay kết hợp từ trường ổn định điện trường sử dụng q trình cấp đơng Wang cộng cho thấy tác động kết hợp từ trường ổn định điện trường bật OMF công nghệ từ tính khác ảnh hưởng đến hình thành băng Hiệu ứng OMF đơng lạnh chủ yếu OEF tạo OMF, theo phương trình Maxwell Faraday [47] Cho đến nay, chưa có nghiên cứu đóng băng OMF - hỗ trợ cho sản phẩm thực báo cáo Yếu tố ảnh hưởng MF cường độ từ trường, mà khơng thể q thấp q cao Ví dụ, khơng có khác biệt đáng kể thực phẩm đông lạnh với từ trường 0,0005T khơng có từ trường [14], nhiên, cường độ MF tăng, nước bắt đầu bay lên Tagami cộng [11] nghiên cứu phát triển tinh thể từ trường thấy giọt nước có đường kính 6mm bay lên từ trường 18T, giọt nước nhỏ trạng thái lỏng siêu lạnh -10°C Kết tác dụng không đáng kể mức độ siêu lạnh Ngoại trừ điều này, trên, vật liệu, hình dạng kích thước thiết bị ảnh hưởng đến tính hiệu MF Mặc dù tuyên bố đưa bảo quản thực phẩm tốt đạt cách sử dụng tủ làm lạnh thương mại với máy phát từ trường, ứng dụng 79 MF đông lạnh thực phẩm hoi, hầu hết nghiên cứu [12], [14], [39] nước 3.5.3 Cấp đơng hỗ trợ sóng vơ tuyến Sóng tần số vô tuyến thuộc trường điện từ, mà sử dụng đơng lạnh Các sóng RF tạo mơ-men xoắn phân tử nước thông qua việc thay đổi mối quan hệ cân chúng cụm băng đá [61], xoay lưỡng cực nước khai thác để điều khiển kích thước tinh thể băng đông lạnh Anese cộng sử dụng RF xung điện áp thấp (2 kV) để hỗ trợ đơng lạnh đóng băng với nitơ lỏng thịt lợn, kết so sánh với đơng lạnh đóng băng dịng chất lưu lạnh luồng khơng khí, cho thấy thịt đông lạnh b ằng RF cho cấu trúc tế bào tốt hơn, khoảng trống tế bào phá vỡ tế bào Trong đó, tinh thể băng đá nhỏ tạo thành phân bố vùng nội bào Vi cấu trúc thịt lợn tốt sau đông lạnh hỗ trợ RF khả RF để giảm điểm đóng băng sau thúc đẩy tạo mầm đá Tác dụng tương tự lên điểm đóng băng tìm việc sử dụng MF đơng lạnh thảo luận trước Cần nitơ lỏng sử dụng môi trường làm mát đông lạnh RF tốn kém, mơi trường đóng băng khác khảo sát nghiên cứu tương lai 3.5.4 Cấp đông hỗ trợ vi sóng Giống nguyên tắc EF MF, moment lưỡng cực điện nột phân tử nước biến đổi vi sóng, đơng lạnh hỗ trợ vi sóng tác động đến hình thành băng Jackson cộng [53] cho kết hợp chiếu xạ vi sóng chất bảo vệ lạnh (cryo-protectant) có khả điều khiển hình thành băng tế bào mơ, cải thiện bảo quản lạnh dài hạn cho vật liệu sinh học Tuy nhiên, có nghiên cứu báo cáo lĩnh vực Chaplin [5] cho MW tần số thấp (915 MHz vs 2450 MHz) có ảnh hưởng đáng kể lâu dài lên nước lỏng Xanthakis cộng [6] nghiên cứu MWF mãng ma trận thực phẩm mẫu thịt lợn chọn mức độ siêu lạnh kích thước tinh thể băng trung bình giảm khoảng 92% 62%, tương ứng, điều kiện thử nghiệm so với trình làm lạnh thông thường Tuy nhiên, ứng dụng MWF hệ thực phẩm cần thêm nghiên cứu chuyên sâu để xác nhận kết 3.6 Thiết kế mạch phát từ trường dao động Trên sở phương pháp thiết bị cấp đông siêu nhanh Owada cộng công bố năm 2001[58], [62], sơ đồ nguyên lý mạch phát từ trường dao động lựa chọn đề tài biểu diễn hình 3.3 Các chức mạch phát điện trường sau: • Khối biến áp nguồn/ổn áp: Khối chuyển đổi điện 220VAC sang 5VDC cung cấp cho khối điều khiển khối • Khối chỉnh lưu điện áp cao: chuyển đổi điện từ 220VAC sang điện áp DC cung cấp cho khối cơng suất • Khối điều khiển: Có chức nhận lệnh từ khối nút nhấn để từ điều chỉnh tín hiệu ngõ như: tần số, biên độ, dạng sóng, từ trường Và hiển thị lên LCD tín hiệu điều chỉnh 80 • Khối tạo dao động: để tạo dao động cung cấp cho khối điều khiển khối điều chỉnh dạng sóng • Khối điều chỉnh dạng sóng: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ sóng vng sang sóng tam giác sóng Sin Các dạng sóng sau điều chỉnh có biên độ nhỏ, đưa vào khối khuếch đại cơng suất • Khối cơng suất: dùng để khuếch đại tín hiệu biên độ điện áp thấp, sang tín hiệu điện áp cao, dòng lớn để đưa vào cuộn dao động tạo từ trường • Khối dị sai: khối có nhiệm vụ kiểm tra tần số tín hiệu, biên độ dịng điện tín hiệu, đưa cho khối điều khiển để điều chỉnh có bị sai dạng Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển phát từ trường dao động Hình 3.4 Minh họa khối điều chỉnh dạng sóng 81 Hình 3.5 Minh họa dạng sóng ngõ sau điều chỉnh dạng sóng Hình 3.6 Mạch điều khiển phát từ trường điện trường sau chế tạo a) Bộ phát từ trường dao động b) Bộ phát từ trường tĩnh Hình 3.7 Bộ phát từ trường dao động từ trường tĩnh sau lắp đặt Nhận xét: Kế thừa nghiên cứu patent chế tạo phát từ trường, điện trường với hỗ trợ thành viên chuyên ngành điện tử, module phát từ trường dao động, từ trường tĩnh điện trường chế tạo để phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm 82 ... Gauss (phương trình Maxwell) (3. 58)  B=0 Định luật Gauss (phương trình Maxwell) (3. 59) Phương trình liên tục (3. 60) Định luật Faraday (phương trình Maxwell) (3. 61) Định luật Ampere (phương trình... thông: s  A.d (3. 75) c Năng lượng từ: m = B H (3. 76) Phương trình Poisson: 2 A = − J (3. 77) 3. 1 .3 Trường biến thiên (dao động) theo thời gian Trong nghiên cứu mạch điện, phương trình vi phân... thứ hai tác động điện trường bên phương pháp nhúng bề mặt tích điện [34 ]– [36 ], [42]–[44] Trong nghiên cứu gần đây, Guggenheim [3] , Marand cộng [45], công bố phương pháp nhiệt động liên quan đến