Dielektrik malzemelerdeki kutuplanmalar; elektronik, atomik, dipolar (yönelimli) ve arayüzeysel kutuplanmalardır. Kutuplanma mekanizmalarından ilk ikisi (elektronik ve atomik) diğerlerine göre daha hızlı gerçekleşir. Bu nedenle, zaman skalasına bağlı olarak, hızlı kutuplanmalar ani bir kutuplanma ( ) olarak kabul edilebilir. Sonsuz miktardaki elektrik enerjisi bir dielektrikte (kapasitörde) depolanamayacağı için, görece uzun zamanlarda kutuplanma, şeklinde sonlu olmak zorundadır (Jonscher, 1983).
0
P
s
P(t ) P
1
t t anında uygulanmaya başlayan dış elektrik alanın etkisi altında bir dielektrik malzemede oluşan kutuplanma, Şekil 3.14’te verilmiştir.
P
Şekil 3.14 Uygulanan elektrik alanda oluşan kutuplanmanın zamana bağlılığı (Tuncer, 2001)
Elektronik ve atomik kutuplanmalar, uygulanan elektrik alan tarafından indüklenir ve atom yada moleküllerdeki elektronların yer değişimlerinden kaynaklanır. Bu kutuplanmalar sıcaklıktan bağımsızdır. Yönelimli kutuplanma, ilk kez Debye tarafından çalışılan klasik kutuplanma tipidir ve kalıcı dipol momentlere sahip olan polar malzemelerde meydana gelir. Dipolleri yok edecek geri çağırıcı kuvvetler yoktur ama ısısal çalkantının rastgele etkisi vardır. Arayüzeysel kutuplanma ise heterojen malzemelerde meydana gelir ve bu kutuplanmanın durulma zamanı yönelimli kutuplanmanınkinden daha uzundur. Bununla birlikte, yanıltıcı ve yanlış yorumlamaya neden olabilecek şekilde, yerel bölgeler arasındaki yük taşıyıcıların hareketleri de kutuplanma oluşturur. Çok iletken çözeltilerde, bir iyon tabakası elektrotlara bitişik olur. Bu durum, sistemdeki yük dağılımlarını değiştirir ve küçük frekanslarda kapasitansta önemli bir artışla sonuçlanır. Normalde istenmeyen ve düzeltilmesi yada kaldırılması gereken bu etki, elektrot kutuplanması olarak bilinir.
Her kutuplanma mekanizması, doğasının gereği olarak, uygulanan dış elektrik alanın belirli frekans bölgelerinde kendini göstermektedir. Şekil 3.15’te bu frekans bölgeleri için bir gösterim bulunmaktadır. Şekil 3.16’da ise bu mekanizmaların, dış elektrik alanın uygulandığı ve uygulanmadığındaki durumları gösterilmektedir.
s P 1 t t 0 P
Şekil 3.15 Kutuplanma mekanizmalarının gerçekleştiği frekans bölgeleri
Şekil 3.16 Dış alan uygulandığı zamanki ve uygulanmadığı zamanki kutuplanma mekanizmaları (Hippel, 1954)
3.1.10.1. Elektronik (optik) kutuplanma
Elektronik kutuplanma, nötr bir atoma dış elektrik alan uygulandığında ortaya çıkar. Nötr bir atom, merkezde pozitif çekirdek ve çekirdeği çevreleyen elektron bulutlarından oluşur. Hem pozitif yüklerin, hem de negatif yüklerin yük merkezleri çakışıktır. Atoma dış elektrik alan uygulandığında, atomun elektronları uygulanan alana
f 3 10 106 109 1012 1015 ' '' - + Yönelimli + - Arayüzeysel + - Elektronik + - Atomik Alan varken Alan varken Alan yokken
Alan yokken E E + - + - Atomik kutuplanma Yönelimli kutuplanma
-
Elektronik kutuplanma + +-
Arayüzeysel kutuplanma - + + - + + - + - - - + + - + + + - - - - + + - + + - + - - - + + - + + + - - -zıt yönde yönelirler. Bu durumda atomdaki yük merkezleri artık çakışık olmaz ve indüklenmiş dipol momentler oluşur. Bu şekilde meydana gelen kutuplanma türüne, elektronik kutuplanma denir. Elektronik kutuplanma, mor ötesi ve görünür bölge frekanslarında oluşur (Hippel, 1954).
3.1.10.2. Atomik kutuplanma
Uygulanan bir elektrik alanının altında birbirine yakın olan pozitif ve negatif iyonların yayılması ile meydana gelir. Farklı tipteki molekülleri oluşturan atomlar olduğu zaman, elektron bulutları güçlü bağları olan atomlara doğru dış merkezli olarak yer değiştireceği için, bunların elektronları normal olarak küresel olmayacaktır. Böylece atomlar zıt kutuplu yükler edinirler ve bu net yüklerde etkili olan bir dış alan, atomların denge konumlarını değiştirmek için onları yönlendirir. Bu yüklü atom yada atom gruplarının birbirlerine göre yer değiştirmesi ile indüklenmiş dipol momentin ikinci bir tipi oluşur. Bu tür dipoller, atomik kutuplanma ile ilgilidir. Rezonans tipik olarak kırmızı ötesi veya ona yakın frekans bölgesinde meydana gelir (Kao, 2004).
3.1.10.3. Yönelimli (Dipolar) kutuplanma
Kutuplu bir molekülü oluşturan atomların elektronları dengesiz paylaşımı, sürekli bir dipol momente neden olur. Malzemeye dış elektrik alan uygulanmadığında bu momentler rastgele yönelirler. Hatta net kutuplanma mevcut olmayabilir. Dış elektrik alan uygulandığında, elektrik alanı doğrultusunda yönelmek için dönen dipoller, yönelimli kutuplanmayı oluşturur. Bir molekülün atomları arasındaki asimetrik yük dağılımı (su ve organik polimerlerde oluğu gibi), bir dış alan uygulanmadığında da var olan sürekli dipol momentleri oluşturur. Böyle momentler, uygulanan bir alanda onları alan doğrultusunda yönelmeye zorlayan bir tork oluştururlar. Kutuplanmanın bu tipi, radyo frekans bölgesinde önemli hale gelir.
Yönelimli kutuplanma sonuç olarak, 102 – 1010 Hz frekans aralığında değişen elektrik alandan kaynaklanan dipollerin yönelim almasıdır. Bu mekanizma Hz’den büyük frekanslara sahip moleküler titreşimler veya elektronik geçişler ile karşılaştırıldığında nispeten yavaş bir süreçtir. Yönelim için uygulanan elektrik alandan sonra yeterince zaman verilirse, sadece maksimum kutuplanma veya bir maddede gerçekleşen ve en yüksek görülebilecek dielektrik geçirgenliği elde edilecektir. Eğer
12
zaman verilirse gözlenen dielektrik geçirgenlik, statik dielektrik geçirgenliğidir (s). Eğer elektrik alan uygulanır uygulanmaz kutuplanma ölçülür ise, anlık dielektrik geçirgenlik () gözlenir. Durulma zamanı bu iki uç arasında herhangi bir yerde meydana gelir.
3.1.10.4. Arayüzeysel kutuplanma (uzay yükü kutuplanması)
Yukarıdaki kutuplanma modellerinin hepsi tüm yüklerin bağlı olduğu yani iletkenliğin sıfır olduğu durumlar için tanımlanır. Özellikle kil ve polimer gibi dielektrik malzemelerde yüklerin bir kısmı maddenin içinde hareket etmekte serbesttir. Bu serbestliğin derecesi maddeye bağlıdır. Elektrolitlerde hem pozitif hem de negatif iyonlar hareket etmekte serbesttir. İyi bir yalıtıcıda bile sınırlı mesafeleri alabilen, malzeme içerisinde doğal olarak bulunan veya laboratuar ortamında katkılanan serbest yükler vardır. Bu maddeler dış elektrik alan altında kaldıkları zaman, yük taşıyıcılar hareket kazanabilir. Arayüzeysel kutuplanmayı, malzemedeki safsızlıklardan dolayı hareket yeteneği olan bu yükler oluşturur. Yeterince yüksek sıcaklıklarda bu yükler uygulanan elektrik alanda hareket edebilirler. Bu yükler, heterojen sistemlerin farklı iletkenlik ve geçirgenlik değerlerine sahip olan iki ortamı arasındaki makroskopik arayüzeylerinde birikebilir. Bu yüklerin artışının neden olduğu birikmeden dolayı elektrik alanın bozulması, maddenin tüm sığasının artmasına neden olur. Uygulanan elektrik alanın frekansına bağlı olarak bir arayüzeysel yada Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) durulması meydana gelir. Bu durulma, iki yada daha çok fazdan oluşan heterojen sistemlerde gözlenir. Yüklerin birikmesi, dipol oluşumu veya var olan dipollerin yönelim almasıyla meydana gelen diğer kutuplanma türlerinin (atomik, elektronik, yönelimli) aksine, elektrik alanını değiştirir (Kao, 2004). Arayüzeysel kutuplanma, genelde diğer kutuplanma tiplerinden daha uzun zaman alır. Bu süreç, radyo frekans ve mikrodalga frekans bölgesinde gözlenir
Bu dört farklı kutuplanma mekanizmasının bir sonucu olarak, dielektrik geçirgenliğin düşük frekanslardaki değeri, genelde yüksek frekanslardaki değerinden daha büyük olur. Elektronik ve atomik kutuplanma durumunda, rezonanslar çoğunlukla keskindir, yani eğrilerde pikler ve çukurlar olabilmektedir. Yönelimli ve arayüzeysel kutuplanmalarda daha yayvan pikler elde edilir.
3.1.11. Dielektrik durulmayı tanımlayan ifadeler