Experimental research on rice seeds based on high-voltage electric field treatment

Abstract

Механічні сили можуть викликати внутрішні мікротріщини та приховані пошкодження, що значно погіршує якість зерна під час збору насіння рису, а традиційне механічне сортування не дозволяє виявити такі дефекти. Як діелектричний матеріал, насіння виявляє поляризацію в нерівномірних електричних полях, що тісно пов’язано з його діелектричними властивостями. Метою цього дослідження було вивчення впливу обробки високовольтним електричним полем на потенціал проростання та ріст сходів насіння рису, а також з’ясування основних діелектричних механізмів. Було розроблено спрощену модель насіння та еквівалентну схему. Шляхом аналізу процесу діелектричної поляризації та розрахунку напруженості поля всередині та зовні насіння було визначено макроскопічні закони електромагнітного руху діелектрика в насінні. Було проведено ортогональні експерименти з обробкою насіння електричним полем. Аналіз діапазону дозволив визначити первинні та вторинні фактори, що впливають на потенціал проростання та середню висоту насіння, а аналіз дисперсії визначив оптимальну комбінацію обробки та перевірив значущість моделі. Результати показали, що комплексний імпеданс еквівалентного контуру насіння залежить від кругової частоти (ω) прикладеного електричного поля, ємності плівки (C) та опору плівки (R) насіння. Відносна діелектрична проникність ε та макроскопічна швидкість поляризації χ є еквівалентними в описі діелектричної проникності насіння. Зовнішнє електричне поле має більш значний вплив на насіння з вищою життєздатністю. Оптимальними параметрами для підвищення потенціалу проростання та середньої висоти насіння є електричне поле змінного струму з інтенсивністю 520 кВ ∙ м-1 протягом 150 секунд в умовах експерименту. Більш сильна напруженість поля та довший час обробки призводять до підвищення середньої висоти насіння, що сприяє довготривалій життєздатності насіння. Це пояснюється тим, що нижча діелектрична проникність насіння є вигідною. Отже, насіння, оброблене високовольтними електричними полями, може значно підвищити життєздатність насіння та збільшити врожайність, сприяючи розвитку ефективних, точних, неруйнівних та автоматизованих технологій селекції та сортування

Mechanical forces can induce internal microcracks and latent damage, significantly compromising grain quality during rice seeds harvest, and conventional mechanical sorting fail to detect such defects. As a dielectric material, seeds exhibit polarisation under non-uniform electric fields, and closely correlated to their dielectric properties. The purpose of this study was to investigate the effects of high-voltage electric field treatment on the germination potential and seedling growth of rice seeds, and to clarify the underlying dielectric mechanisms. A simplified seed model and equivalent circuit were developed. By analysing the dielectric polarisation process and calculating the field strength inside and outside the seeds, the macroscopic electromagnetic motion laws of the dielectric in seeds were determined. Orthogonal experiments on electric field seed treatment were conducted. Range analysis identified the primary and secondary factors affecting germination potential and average seed height, while variance analysis determined the optimal treatment combination and tested the model’s significance. Results indicated that the complex impedance of the seed equivalent circuit depends on the circular frequency (ω) of the applied electric field, the film capacitance (C) and film resistance (R) of the seed. The relative dielectric constant ε and the macroscopic polarisation rate χ are equivalent in describing the dielectric constant of seeds. The external electric field has a more significant effect on seeds with higher vitality. The optimal parameters for higher germination potential and average seed height are an alternating current electric field with an intensity of 520 kV ∙ m-1 for 150 seconds under experiments. Stronger field strength and longer treatment time result in higher average seed height, benefiting long-term seed vitality. This is because a lower dielectric constant in seeds is advantageous. Therefore, seeds treated by high-voltage electric fields can significantly enhance seed vitality and increase yield, promoting the development of efficient, precise, non-destructive, and automated selection and grading technologies