Механизм увеличения водопоглощения семян под воздействием магнитного поля

В научных лабораториях и в производственных условиях испытаны в качестве стимулирующих воздействий на семена сельскохозяйственных культур электрические и магнитные поля, различные виды излучения, токи высоких и сверхвысоких частот. Обработка семян в магнитном поле является одним из наиболее простых и экологически чистых в реализации эффективных методов предпосевной обработки семенного материала [ 1 ] . В этой связи актуальными являются любые попытки получения теории, позволяющей не только объяснить научную сущность предпосевной стимуляции семян, но и обосновать параметры магнитного поля. С этой целью в настоящей работе была сделана попытка решить следующие задачи:

• 1.    Разработать математическую модель, отражающую зависимость водопо-глощения семян от напряжённости магнитного поля.

• 2.    Проверить соответствие этой модели экспериментальным данным.

Нами предлагается поляризационнодиффузионный механизм увеличения во-допоглощения семян под воздействием магнитного поля.

Водопоглощение – это диффузионный процесс, происходящий через оболочку (мембрану) семени по первому закону Фика.

∆ P j =- D , ∆ Z

где j - масса воды, прошедшая через площадь ∆ S за время ∆ τ ;

∆ P ∆ Z

- градиент плотности ∆P молекул на расстоянии, равном толщине оболочки се- мени;

D – коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии

D = α ^{a 2} e ^{- kAT} ,           (2)

τ ₀

где α - коэффициент, зависящий от структуры твёрдого тела;

• τ    - постоянная, по порядку величины равная периоду собственных колебаний атомов в узлах кристаллической решётки;

• a    - межатомное расстояние;

• A    – энергия активации диффузии;

• k    - постоянная Больцмана;

• T    – абсолютная температура.

  

  Рис. 1. Модель поляризации (а) и диссоциационной деформации (б) семени вдоль осей X и Z

  
  

При пролёте семени со скоростью V в магнитном поле с напряжённостью H на положительные и отрицательные заряды q_i будут действовать силы Лоренца

F_л = q_i ⋅ V ⋅ µ ⋅ µ ₀ ⋅ H ⋅ sin( ϕ ),     (3)

которые приведут к разделению зарядов и поляризации семени в целом (рис. 1 а).

При помещение поляризованного семени в воду начинается процесс обволакивания семени поляризованными молекулами Н 2 О , то есть, начинается своего рода процесс диссоциации семени, приводящий к деформации семени (рис. 1 б). При этом расстояние между обобщёнными зарядами под действием диссоциативной (деформирующей) силы увеличится от L до L (рис. 1 б).

Диссоциативная сила F прямо пропорциональна заряду q₀ = b ⋅ H :

F = χ ⋅ b ⋅ H ,           (4)

где q - заряд, наведённый в семени магнитным полем;

b - коэффициент пропорциональности.

χ - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала, размеров и формы семени, а также свойств окружающей семя воды.

Тогда абсолютная деформация X по закону Гука будет равна:

y-b-H

X = L - L 0 = ^{χ ⋅ b ⋅ H} ,         (5)

K ₁

где K - коэффициент жёсткости (упругости) оболочки семени.

При растяжении семени под действием диссоциативных сил F увеличивается не только абсолютная деформация Х , но и межатомное расстояние а :

X = ( а - а 0 ) ⋅ N x ,            (6)

где ∆a = a - a - изменение межатомных расстояний при деформации;

N = L 0 x a0

- число атомных

слоёв

вдоль оси X .

Тогда а = (X + Lo) • a 0

.

L 0

При растяжении толщина семени будет уменьшаться от A Z (рис. 1 б).

оболочки

A Z 0 до

Для упругой деформации коэффициент Пуассона П равен:

yj _ _   ^{( L}  L o )¹ L o

( A Z -A Z ₀)/ A Z₀

.

Знак минус стоит потому, что П всегда положителен и зависит от свойств семени, а при растяжении толщина оболочки A Z уменьшается, то есть A Z <  A Z 0 . Подставляя L-L 0 из (5) в (8), найдем зависимость толщины оболочки семени от напряженности магнитного поля:

С

A Z = A Z ₀ • 1

x • b • H

—

I K i • L o • П J

•

Подставляя (2) в (7) и затем (7) в (2) и (1), получим зависимость водопоглощения J от напряженности магнитного поля H :

J = - C ( X ² • H ² + 2 X- H • L o + L ₀ ^a )— , (10)

где

2 ^a C = a —---

^L o "^T o

• e

A

, K - T

.

Так как водопоглощение в отсутствие магнитного поля ( H =0) определяется формулой

,       AP      a₀²   - AP

Jo =- Do Az -a'To;-eKT-AZ

= - D-^P, AZ

то водопоглощение в магнитном поле имеет вид:

J = J o ( X H - + 2 T H + 1).    (12)

^L o        ^L o

Уравнение (12) может быть записано следующим образом:

I = a '• H ² + b '• H + C .

Уравнение (13) представляет собой параболу с вершиной в точке с координатами:

M [- b * I 2 a * = - LI x (4 a * c - b 2) 14 a' = o].

В зависимости от знака a' ветви параболы будут направлены вверх или вниз, если a' >  o - то вверх, при a' <  o - вниз.

Анализ уравнений (10–13) показывает, что механизм увеличения водопогло-щения семян в магнитном поле может быть связан:

– с одной стороны, с уменьшением толщины оболочки A Z , вследствие действия растягивающих поляризационно-диссоционных сил F ;

• – с другой, с увеличением межатомного расстояния а , что приводит соответственно к изменению коэффициента диффузии.

При прочих неизменных параметрах диффузионного процесса водопоглощение возрастает с увеличением напряженности магнитного поля H по параболическому закону (12–13).

Для проверки соответствия полученной теоретически зависимости (формула 13) был проведен эксперимент по влиянию напряжённости магнитного поля на удельное водопоглощение семян озимой пшеницы Зерноградка-9. Для сравнения теоретического выражения (13) с экспериментальным удельное водопоглощение было представлено в относительных единицах ( Y_i0 1 Y k ).

Удельное водопоглощение определяли из соотношения

Y = m2 -m1 -ioo%, (14) m где m2 - масса семян (контрольных и обработанных) после замачивания;

m - масса семян (контрольных или обработанных) до замачивания.

Контрольные и обработанные семена взвешивались до замачивания и после замачивания в дистиллированной воде в течение 30 минут. Поверхностная влага удаляется с помощью фильтровальной бумаги. Для взвешивания семян (сухих и увлажнённых) применялись весы типа ВЛР-200.

Опытные семена обрабатывались на установке, позволяющей создавать магнитное поле различной напряжённости изменением расстояния между магнитами [ 2 ] .

Измерение магнитной индукции осуществлялось микротеслометром типа ТП2-2У. Эксперименты были проведены в диапазоне напряжённостей магнитного поля 1…7·103 А/м.

Анализ результатов эксперимента показал, что максимальное водопоглощение семенами находится в диапазоне низких значений напряжённости магнитного поля ( H =3,5…5·кА/м). Результаты сравнения теоретической и экспериментальной зависимостей относительного водопоглощения от напряжённости магнитного поля представлены на рисунке 3. Теоретическая зависимость имеет вид:

• - Ү=-0,0293Н² + 0,248Н + 0,994.

Зависимость величины ошибки аппроксимации этой зависимостью экспериментальных результатов от напряжённости магнитного поля приведена в таблице 1.

Анализ этих зависимостей показывает, что при значении a ′ = - 0,0293 и b ′ =0,248 средняя ошибка аппроксимации теоретической зависимостью (13) экспериментальных данных не превышает 6%, что приемлемо для практических расчётов.

Аналогичные исследования влияния напряжённости магнитного поля на водо-поглощение были проведены и для семян других зерновых культур (табл. 2).

Таблица 1

Напряжённость, А/м	1	2	3	4	5	6	7
Ошибка опыта, %	9,4	2,7	2,6	3,1	5,0	2,6	5,8

Таблица 2

Сравнение теоретического и экспериментального водопоглощения для семян различных зерновых культур

Наименование культуры	Контроль		Опыт (обработка в МП), Н =3,8 кА/м		Прибавка, %	Теоретическое Y ( Н =4,0 кА/м), %	Средняя ошибка, %
	m x , %	σ x , %	m x , %	σ x , %
Озимый ячмень Бастион	9,62	1,6	12,75	1,79	28,4	8,7	29,5
Озимая пшеница Донская юбилейная	6,94	1,53	8,77	2,21	26,4		0,8
Озимая пшеница Дон-93	6,55	0,89	9,0	1,57	37,4		3,3
Озимая пшеница Зерноградка-8	6,42	1,17	8,49	1,29	32,2		2,47
Кукуруза Задача М	7,66	1,27	9,06	1,31	18,3		3,98

Рис. 3. Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости относительного удельного водопоглощения семян озимой пшеницы Зерноградка-9 от напряжённости магнитного поля

Из анализа таблицы 2 видно, что стимулирующее действие магнитного поля на водопоглощение зависит от вида обрабатываемой культуры. Большее отклонение удельного водопоглощения семян озимого ячменя Бастион от теоретического можно объяснить более тонкой по сравнению с семенами пшеницы и кукурузы оболочкой семени, что согласуется с предлагаемой моделью механизма увеличения вла-гопоглощения семян под воздействием магнитного поля.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

• 1.    Предложенная модель хорошо описывает механизм водопоглощения семян левой ветвью параболы при а < 0 до максимального значения водопоглощения.

• 2.    Максимальные значения водопо-глощения семян находятся в диапазоне напряжённости магнитного поля Н = 3,5…5,0 кА/м.

• 3.    Ошибка аппроксимации экспериментальных данных для озимых пшениц и кукурузы не превышает 4%, что приемлемо для инженерных расчётов.