Szerkesztő:Poganyp/folytatas1

Dielektromos spektroszkópia

A dielektromos permittivitás spektrum széles frekvenciatartományban. Az ábrán megjelenik a permittivitás valós és képzetes (imaginárius) része. A görbe különböző folyamatokat is ábrázol, köztük ionos és dipoláris relaxációt, valamint atom- és elektronrezonanciákat a nagyobb energiáknál. Az ábra a Dél-Missisipi Egyetem Dr. Kenneth A. Mauritz által vezetett kutatócsoportjának dielektromos spektroszkópiai oldalról származik.

A Dielektromos spektroszkópia (vagy más néven impedancia spektroszkópia) a közeg dielektromos tulajdonságait méri a frekvencia függvényében. Egy külső elektromos erőtér és a minta elektromos diplóusmomentumának kölcsönhatásán alapul, melyet gyakran a permittivitással fejezünk ki.

Dielektromos effektusok

Egy adott közeg többféle módon reagálhat az alkalmazott elektromos erőtérre (lásd az ábrát). Minden ilyen effektus egy jellegzetes, rá jellemző, karakterisztikus frekvencia környezetében jelentkezik, ami a folyamat karakerisztikus idejének reciproka. Általánosságban a dielektromos jelenségeket két csoportra bonthatjuk: dielektromos relaxációra és rezonanciára. A legjelemzőbb ilyen folyamatok:

Elektromos polarizáció

Az elektromos polarizáció egy rezonanciafolyamat, mely egy semleges atom estében lép fel, ha elektromos erőtér, megváltoztatja az atommagot körülvevő elektronfelhő helyzetét az atommaghoz képest.

Az elektromos polarizáció könnyebben értelmezhető, ha az atomot úgy képzeljük el, mint ami egy pontszerű atommagból és az őt körülvevő gömbszerű egyenletes töltéseloszlású elektronfelhőből áll.

Atomi polarizáció

Az atomi polarizációt akkor lehet megfigyelni, amikor az elektronfelhőt az alkalmazott elektromos erőtér deformálja és így létrejön egy polarizáció, mely az atom egyes részeiben negatív és pozitív töltéstöbbletet hoz létre. Ez a folyamat egy reznonaciafolyamat. Míg az elektromos polarizáció során csak az elektronfelhő elmozdulásáról beszélünk, az atomi polarizáció esetében a felhő deformálódik, tehát alakja megváltozik.

Dipoláris relaxáció

Ez a jelenség a permanens és indukált diplólusok térbe történő beállásával magyarázható, elektromos erőtér fellépése esetében. A beállást a tér irányába termikus folyamatok (termikus háttérzaj) zavarják, amelyek kitérítik a dipólus vektorokat a tér irányából. Azt az időt, amely ahhoz szükséges, hogy a diplólusok relaxálódjanak (visszatérjenek a térnek megfelelő állásba), a helyi viszkozitás határozza meg. Ezért a dipoláris relaxáció nagymértékben függ a hőmérséklettől és a kémiai környezettől.

Ionos relaxáció

Az ionos relaxáció magába foglalja a ionvezetőképességi, valamint a felületi és térközi töltésrelaxációt. A ionvezetőképességi tag alacsony frekvenciákon dominál és csak veszteséget jelent a rendszernek. A felületi relaxáció akkor lép fel, ha a töltéshordozók a heterogén rendszerben a határfelülethez tapadnak.

Dielektromos relaxáció

A dielektromos relaxáció a dipólusok (dipólus relaxáció) és az elektromos töltések (ionos relaxáció) mozgásának a következeménye, amely váltakozó elektromos tér alkalmazásakor lép fel, jellemzően 10²-10¹⁰ Hz frekvenciatartományban. A relaxáció mechanizmusok meglehetőseg lassúak a molekuláris rezgésekkel vagy a rezonancia elektronátmenetekkel összehasonlítva. melyek jellemzően ennél sokkal nagyobb (10¹² Hz fölett) frekvenciáknál jelentkeznek.

Hivatkozások

[[Kategória:Spektroszkópia]]

Maxwell-Wagner-Sillars polarizáció

In dielectric spectroscopy, large frequency dependent contributions to the dielectric response, especially at low frequencies, may come from build-ups of charge. This, so-called Maxwell-Wagner-Sillars polarization (or often just Maxwell-Wagner polarization), occurs either at inner dielectric boundary layers on a mesoscopic scale, or at the external electrode-sample interface on a macroscopic scale. In both cases this leads to a separation of charges (such as through a depletion layer). The charges are often separated over a considerable distance (relative to the atomic and molecular sizes), and the contribution to dielectric loss can therefore be orders of magnitude larger than the dielectric response due to molecular fluctuations.

Occurrences

Maxwell-Wagner polarization processes should be taken into account during the investigation of inhomogeneous materials like suspensions or coloids, biological materials, phase separated polymers, blends, and crystalline or liquid crystalline polymers.

Models

The simplest model for describing an inhomogeneous structure is a double layer arrangement, where each layer is characterized by its permittivity $\epsilon '_{1,2}$ and its conductivity $\sigma _{1,2}$. The relaxation time is then: $\tau _{MW}=\epsilon _{0}{\frac {\epsilon _{1}+\epsilon _{2}}{\sigma _{1}+\sigma _{2}}}$ Importantly this shows that an inhomogeneous material may have frequency dependent response, even though none of the individual inhomogeneities severally are frequency dependent.

A more sophisticated model for treating interfacial polarization was developed by Maxwell, and later generalized by Wagner and Sillars . Maxwell considered a spherical particle with a dielectric permittivity $\epsilon '_{2}$ and radius $R$ suspended in an infinite medium characterized by $\epsilon _{1}$.

See also

• Debye relaxation
• Dielectric dispersion
• Dielectric function
• Dipole
• Permittivity

• Ellipsometry
• Linear response function
• Kramers–Kronig relation
• Green–Kubo relations

Dielektromos diszperzió

In physics, dielectric dispersion is the dependence of the permittivity of a dielectric material on the frequency of an applied electric field. Because there is always a lag between changes in polarization and changes in an electric field, the permittivity of the dielectric is a complicated, complex-valued function of frequency of the electric field. It is very important for the application of dielectric materials and the analysis of polarization systems.

This is one instance of a general phenomenon known as material dispersion: a frequency-dependent response of a medium for wave propagation.

When the frequency becomes higher:

1. it becomes impossible for dipolar polarization to follow the electric field in the microwave region around 10¹⁰ Hz;
2. in the infrared or far-infrared region around 10¹³ Hz, ionic polarization loses the response to the electric field;
3. electronic polarization loses its response in the ultraviolet region around 10¹⁵ Hz.

In the wavelength region below ultraviolet, permittivity approaches the constant ε₀ in every substance, where ε₀ is the permittivity of the free space. Because permittivity indicates the strength of the relation between an electric field and polarization, if a polarization process loses its response, permittivity decreases.

See also

• Dispersion (optics)
• Dielectric relaxation
• Dielectric spectroscopy
• Linear response function
• Green-Kubo relations
• Electric susceptibility

Dielektromos relaxáció

Dielectric relaxation is the momentary delay (or lag) in the dielectric constant of a material. This is usually caused by the delay in molecular polarization with respect to a changing electric field in a dielectric medium (e.g. inside capacitors or between two large conducting surfaces). Dielectric relaxation in changing electric fields could be considered analogous to hysteresis in changing magnetic fields (for inductors or transformers). Relaxation in general is a delay or lag in the response of a linear system, and therefore dielectric relaxation is measured relative to the expected linear steady state (equilibrium) dielectric values. The time lag between electrical field and polarization implies an irreversible degradation of free energy(G).

In physics, dielectric relaxation refers to the relaxation response of a dielectric medium to an external electric field of microwave frequencies. This relaxation is often described in terms of permittivity as a function of frequency, which can, for ideal systems, be described by the Debye equation. On the other hand, the distortion related to ionic and electronic polarization shows behavior of the resonance or oscillator type. The character of the distortion process depends on the structure, composition, and surroundings of the sample.

The number of possible wavelengths of emitted radiation due to dielectric relaxation can be equated using Hemmings 1st Law

$n={\frac {l^{2}-l}{2}}$

where

n: number of different possible wavelengths of emitted radiation

l: number of energy levels (inc. ground level).

See also

• Dielectric relaxation as a chemical rate process
• Debye relaxation
• Dielectric dispersion
• Dielectric spectroscopy
• Dielectric function
• Rotational Brownian motion

plusz

Dielectric relaxation was interpreted as a chemical rate process by Walter Kauzmann. According to Kauzmann, relaxation rates may be arranged in two or more distinct groups: "Depending on how rapidly they change with temperature. In one group, we have those rates which depend on properties such as thermal conductivity, electrical conductivity of metallic conductors and the velocities of sound and light which do not vary markedly with temperature. In the other group we have those rates which vary considerably with temperature: the rate at which the portion of the dielectric polarization arising from orientation of permanent molecular dipoles comes in to equilibrium with the applied electric field belongs to this class."

Whenever the rate of a physical process depends markedly on temperature, it is quite certain that at some stage in the process a molecule or the other is forced to wait until it has acquired by thermal fluctuation, a considerable amount of energy in excess of the average thermal energy of the medium. Now the factors which govern the rate of acquiring large amount of energy through thermal fluctuations have long been object of study by chemists so far a s rates chemical reactions are concerned. As present time fairly complete ideas about these factore have been developed, so that we can apply these ideas to explain dielectric relaxation process.

[[Category:Electric and magnetic fields in matter]] [[Category:Materials science]]

Debye realxáció

Debye relaxation is the dielectric relaxation response of an ideal, noninteracting population of dipoles to an alternating external electric field. It is usually expressed in the complex permittivity $\varepsilon \,\!$ of a medium as a function of the field's frequency $\omega$:

${\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+i\omega \tau }},$

where $\varepsilon _{\infty }$ is the permittivity at the high frequency limit, $\Delta \varepsilon =\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }$ where $\varepsilon _{s}$ is the static, low frequency permittivity, and $\tau$ is the characteristic relaxation time of the medium.

This relaxation model was named after the chemist Peter Debye.

Variants of the Debye equation

• Cole-Cole equation
• Cole-Davidson equation
• Havriliak-Negami relaxation
• Kohlrausch-Williams-Watts function (Fourier transform of stretched exponential function)

See also

• Dielectric spectroscopy
• Rotational Brownian motion

Cole-cole függvény

The Cole-Cole equation is a dielectric relaxation model that constitutes a special case of Havriliak-Negami relaxation when the symmetry parameter (β) is equal to 1 - that is, when the relaxation peaks are symmetric:

${\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+(i\omega \tau )^{\alpha }}}$

Most polymers show dielectric relaxation patterns that can be accurately modeled by this equation.

See also

K. Cole and R. Cole, Dispersion and Absorption in Dielectrics - I Alternating Current Characteristics, J. Chem. Phys., 9, 341-351 (1941)

K. Cole and R. Cole, Dispersion and Absorption in Dielectrics - II Direct Current Characteristics, J. Chem. Phys., 10, 98-105 (1942)

• Debye relaxation
• Dielectric spectroscopy