Was ist Dissipation?

Wenn man über QCM-basierte Messgeräte spricht, stößt man oft auf die Begriffe „Dissipation“ oder „Dämpfung“. Was bedeuten diese Begriffe und warum sind sie relevant?

Dissipation, Dämpfung und Energieverlust

„Dissipation“ oder „Energiedissipation“, um genau zu sein, bezieht sich auf die Energie, die aus dem untersuchten System verloren geht. Der QCM ist ein harmonischer Oszillator, und wie alle realen Oszillatoren ist er gedämpft.

Ein Oszillator, der nicht durch eine äußere Kraft zum Schwingen gezwungen wird, schwingt allmählich mit immer geringerer Amplitude und schließlich stirbt die Schwingung aus. Diese Dämpfung der Schwingungsamplitude, um die es hier geht, kommt durch Reibungsverluste zustande, bei denen es sich um innere Reibung im Oszillator selbst oder im umgebenden Medium (Luft, Wasser usw.) handeln kann. Die Reibung führt dazu, dass die Schwingungsenergie als Wärme abgeführt wird, daher der Name Dissipation.

Dissipation enthält Informationen über das untersuchte Material

Im Fall von QCM stammen die induzierten Energieverluste hauptsächlich von Materialien, die mit der schwingenden Sensoroberfläche in Kontakt sind. Alle Materialien, die mit der Oberfläche in Berührung kommen, führen zu Energieverlusten. Besonders ausgeprägt ist dieses Phänomen bei Vorhandensein von Flüssigkeiten oder bei der Ablagerung von weichen Schichten. Während der Schwingung werden Flüssigkeiten und weiche Filme, die mit der Oberfläche in Kontakt sind, verformt, was zu Energieverlusten im System führt. Wenn die Sensoroberfläche mit Luft oder Vakuum in Kontakt ist, sind die induzierten Energieverluste vergleichsweise gering. Das Gleiche gilt für die Verluste, die durch das Aufbringen dünner und starrer Schichten entstehen. Dünne und starre Schichten verformen sich während der Schwingung nicht, und die Verluste sind daher geringer als bei weichen und/oder dicken Schichten. Folglich zeigt eine hohe Dissipation an, dass wir weiches oder viskoses Material in Kontakt mit der Oberfläche haben, während eine niedrige Dissipation anzeigt, dass das Material an der Oberfläche starr ist und der Schwingung folgt.

Die Definition und die Beziehung zwischen der Dissipation und dem Q-Faktor

Ein wichtiger Parameter, der die Eigenschaften eines Oszillators beschreibt, ist der Qualitätsfaktor oder Q-Faktor. Es handelt sich dabei um einen dimensionslosen Parameter, der die Dämpfung der Schwingung bei Resonanz beschreibt, indem er die Menge der gespeicherten Energie mit der Menge der verlorenen Energie in Beziehung setzt. Die Dissipation, D, die der Kehrwert des Q-Faktors ist, ist die Summe aller Energieverluste im System pro Schwingungszyklus. Sie kann auch definiert werden als die pro Schwingung dissipierte Energie, geteilt durch die im System gespeicherte Gesamtenergie.

Q = 2π ⋅ (gespeicherte Energie)/(verlorene Energie pro Zyklus) = 1/D (1)

Wie aus Gleichung 1 zu schließen ist, zeigt ein hoher Q-Faktor an, dass der Energieverlust gering ist und die Schwingung lange anhält, und umgekehrt (Abbildung 1). Je höher der Q-Faktor ist, desto geringer ist die Dämpfung und desto länger hält die Schwingung an.

Abbildung 1. Bei einer Stimmgabel (links) ist die Dissipation gering, und die Schwingung hält lange an. Im Fall von Wackelpudding ist die Energiedissipation höher, und die Schwingung stirbt schneller ab.

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