Hvad er dissipation?

Hvis man taler om QCM-baseret instrumentering, støder man ofte på begreberne “dissipation” eller “dæmpning”. Hvad betyder disse begreber, og hvorfor er de relevante?

Dissipation, dæmpning og energitab

“Dissipation” eller “energidissipation”, for at være mere præcis, henviser til den energi, der går tabt fra det system, der undersøges. QCM er en harmonisk oscillator, og som alle oscillatorer i den virkelige verden er den dæmpet.

En oscillator, der ikke tvinges til at svinge ved hjælp af en ydre kraft, vil gradvist svinge med mindre og mindre amplitude, og til sidst vil svingningen dø ud. Denne dæmpning af svingningsamplituden, som vi overvejer her, kommer fra friktionstab, som kan være intern friktion i selve oscillatoren eller i det omgivende medium (luft, vand osv.). Friktionen medfører, at svingningsenergien spredes som varme, deraf navnet Dissipation.

Dissipation indeholder oplysninger om det materiale, der undersøges

Med QCM vil det inducerede energitab hovedsageligt stamme fra materialer, der er i kontakt med den oscillerende sensoroverflade. Alle materialer, der er i kontakt med overfladen, vil inducere energitab. Fænomenet er særlig udtalt i tilstedeværelsen af væsker i bulk eller ved udfældning af bløde film. Under svingningen vil væsker og bløde film, der er i kontakt med overfladen, blive deformeret, hvilket resulterer i energitab fra systemet. Når sensoroverfladen er i kontakt med luft eller vakuum, er det inducerede energitab forholdsvis lille. Det samme gælder for de tab, der opstår ved aflejring af tynde og stive lag. Tynde og stive lag deformeres ikke under svingningen, og tabene er derfor mindre end dem, der fremkaldes af bløde og/eller tykke lag. Følgelig indikerer en høj dissipation, at vi har blødt eller viskøst materiale i kontakt med overfladen, mens en lav dissipation indikerer, at materialet på overfladen er stift og følger svingningen.

Definitionen og forholdet mellem dissipation og Q-faktor

En vigtig parameter, der beskriver egenskaberne ved en oscillator, er kvalitetsfaktoren, eller Q-faktor. Det er en dimensionsløs parameter, der beskriver svingningens dæmpning ved resonans, ved at sætte mængden af lagret energi i forhold til mængden af tabt energi. Dissipationen, D, som er den inverse af Q-faktoren, er summen af alle energitab i systemet pr. svingningscyklus. Den kan også defineres som den energi, der tabes pr. svingning, divideret med den samlede energi, der er lagret i systemet.

Q = 2π ⋅ (lagret energi)/(tabt energi pr. cyklus) = 1/D (1)

Som det kan konkluderes af ligning 1, indikerer en høj Q-faktor, at energitabet er lille, og at svingningen vil vare ved i lang tid, og omvendt, figur 1. Jo højere Q, jo lavere er dæmpningen, og jo længere vil svingningen blive ved med at bestå.

Figur 1. I tilfældet med en stemmegaffel (til venstre) er dissipationen lav, og svingningen vil vare ved i lang tid. I tilfældet med Jello er energispildet højere, og svingningen vil dø hurtigere ud.

Download oversigten for at få mere at vide om dissipation