Wat is dissipatie?

Wanneer men het over instrumentatie op basis van QCM heeft, komt men vaak de begrippen “dissipatie” of “demping” tegen. Wat betekenen deze begrippen, en waarom zijn zij relevant?

Dissipatie, demping en energieverlies

‘Dissipatie’, of “energiedissipatie”, om precies te zijn, verwijzen naar de energie die verloren gaat uit het bestudeerde systeem. De QCM is een harmonische oscillator en zoals alle echte oscillatoren is hij gedempt.

Een oscillator die niet door een externe kracht tot oscilleren wordt gedwongen, zal geleidelijk met steeds kleinere amplitude gaan oscilleren en uiteindelijk zal de oscillatie uitsterven. Deze demping van de oscillatie-amplitude die we hier beschouwen, komt van wrijvingsverliezen, die interne wrijving in de oscillator zelf of in het omringende medium (lucht, water, enz.) kunnen zijn. De wrijving zorgt ervoor dat oscillatie-energie als warmte wordt afgevoerd, vandaar de naam Dissipatie.

Dissipatie bevat informatie over het te bestuderen materiaal

In het geval van QCM zullen de geïnduceerde energieverliezen voornamelijk afkomstig zijn van materialen die in contact staan met het oscillerende sensoroppervlak. Alle materialen die in contact komen met het oppervlak zullen energieverliezen induceren. Dit verschijnsel is bijzonder uitgesproken in de aanwezigheid van bulkvloeistoffen of bij de afzetting van zachte films. Tijdens de oscillatie zullen vloeistoffen en zachte films in contact met het oppervlak worden vervormd, waardoor energie uit het systeem verloren gaat. Wanneer het sensoroppervlak in contact staat met lucht of vacuüm, zijn de geïnduceerde energieverliezen relatief gering. Hetzelfde geldt voor de verliezen die worden veroorzaakt door de afzetting van dunne en stijve lagen. Dunne en stijve lagen vervormen niet tijdens de oscillatie, en de verliezen zijn daarom kleiner dan die veroorzaakt door zachte en/of dikke lagen. Bijgevolg geeft een hoge dissipatie aan dat we zacht of viskeus materiaal in contact hebben met het oppervlak, terwijl een lage dissipatie aangeeft dat het materiaal aan het oppervlak stijf is en de oscillatie volgt.

De definitie en het verband tussen de dissipatie en de Q-factor

Een belangrijke parameter die de eigenschappen van een oscillator beschrijft is de kwaliteitsfactor, of Q-factor. Dit is een dimensieloze parameter die de demping van de oscillatie bij resonantie beschrijft, door de hoeveelheid opgeslagen energie te relateren aan de hoeveelheid verloren energie. De dissipatie, D, die het omgekeerde is van de Q-factor, is de som van alle energieverliezen in het systeem per oscillatiecyclus. Zij kan ook worden gedefinieerd als de energie die per oscillatie wordt gedissipeerd, gedeeld door de totale energie die in het systeem is opgeslagen.

Q = 2π ⋅ (opgeslagen energie)/(energie die per cyclus verloren gaat) = 1/D (1)

Zoals uit Eq. 1 kan worden geconcludeerd, geeft een hoge Q-factor aan dat het energieverlies gering is en dat de oscillatie lang zal aanhouden, en omgekeerd, figuur 1. Hoe hoger de Q-factor, hoe lager de demping en hoe langer de oscillatie zal aanhouden.

Figuur 1. In het geval van een stemvork (links) is de dissipatie laag, en de oscillatie zal lang aanhouden. In het geval van Jello is de energiedissipatie hoger, en zal de oscillatie sneller uitsterven.

Download het overzicht om meer te weten te komen over dissipatie