Co je rozptyl?

Mluvíme-li o přístrojích založených na QCM, často se setkáváme s pojmy „disipace“ nebo „tlumení“. Co tyto pojmy znamenají a proč jsou důležité?

Disipace, tlumení a ztráta energie

„Disipace“, přesněji „rozptyl energie“, označuje energii, která se ze zkoumaného systému ztrácí. QCM je harmonický oscilátor a stejně jako všechny reálné oscilátory je tlumen

Oscilátor, který není nucen kmitat vnější silou, bude postupně kmitat se stále menší amplitudou a nakonec kmitání zanikne. Toto tlumení amplitudy kmitů, které zde uvažujeme, pochází ze ztrát třením, což může být vnitřní tření v samotném oscilátoru nebo v okolním prostředí (vzduch, voda atd.). Tření způsobuje, že se oscilační energie rozptyluje jako teplo, odtud název disipace.

Disipace obsahuje informace o zkoumaném materiálu

V případě QCM budou indukované energetické ztráty pocházet především z materiálů, které jsou v kontaktu s oscilujícím povrchem senzoru. Veškerý materiál v kontaktu s povrchem bude indukovat energetické ztráty. Tento jev je zvláště výrazný v přítomnosti objemných kapalin nebo při nanášení měkkých vrstev. Během oscilace se kapaliny a měkké filmy ve styku s povrchem deformují, což vede ke ztrátám energie ze systému. Pokud je povrch senzoru v kontaktu se vzduchem nebo vakuem, jsou indukované ztráty energie relativně malé. Totéž platí pro ztráty vyvolané nanášením tenkých a tuhých vrstev. Tenké a tuhé vrstvy se během kmitání nedeformují, a ztráty jsou proto menší než ztráty vyvolané měkkými a/nebo tlustými vrstvami. Z toho vyplývá, že vysoká disipace znamená, že máme v kontaktu s povrchem měkký nebo viskózní materiál, zatímco nízká disipace znamená, že materiál na povrchu je tuhý a sleduje oscilaci.

Definice a vztah mezi disipací a činitelem Q

Důležitým parametrem popisujícím vlastnosti oscilátoru je činitel jakosti neboli Q faktor. Jedná se o bezrozměrný parametr, který popisuje tlumení kmitů v rezonanci, a to vztahem mezi množstvím uložené energie a množstvím ztracené energie. Rozptyl, D, který je převrácenou hodnotou činitele Q, je součtem všech ztrát energie v systému za jeden oscilační cyklus. Lze ji také definovat jako podíl energie rozptýlené za jeden oscilační cyklus a celkové energie uložené v systému.

Q = 2π ⋅ (uložená energie)/(ztracená energie za cyklus) = 1/D (1)

Jak lze odvodit z rovnice 1, vysoký činitel Q znamená, že ztráty energie jsou malé a že kmitání bude trvat dlouho, a naopak, obr. 1. Čím vyšší je Q, tím menší je tlumení a tím déle budou oscilace pokračovat.

Obr. 1. V případě ladičky (vlevo) je rozptyl nízký a kmitání bude přetrvávat dlouho. V případě želé je rozptyl energie vyšší a oscilace zanikne rychleji.

Stáhněte si přehled, abyste se o rozptylu dozvěděli více