The Interpretation of Non-Ideal Dielectric Admittance and Impedance Diagrams

Abstract

It is well known that many dielectric materials such as ionically conducting ceramics show complex susceptibility (Cole-Cole) plots which are non-ideal, i.e. which depart seriously from the ideal semi-circular form. It is also known that similar departures may be found in the corresponding impedance or Z-plots and admittance or Y-plots. The commonly accepted interpretation of skewed circular arcs and spurs in the Y and Z representations relies on the concept of Warburg impedance which is based on the assumption of a diffusive model for the system. However, the Warburg impedance can only explain circular arcs and spurs inclined at an angle π/4 to the normal, while the available experimental data show clearly a wide range of angles in which the unit slope angle represents only a particular case. The present paper suggests that a more plausible interpretation may be possible which includes the whole observed range of behaviour and which makes use of the concept of „non-Debye capacitance”︁ having a frequency-independent ratio of the imaginary to the real parts of the complex dielectric susceptibility. Such non-Debye properties are generally found in most solid dielectric materials and a simple physical model has been proposed to explain this almost universal behaviour. A discussion is given of the application of this concept to the interpretation of a wide range of complex Z- and Y-plots giving a simple and physically plausible explanation of the observed behaviour. Es ist gut bekannt, daß viele dielektrische Materialien wie ionisch leitende Keramiken komplexe Suszeptibilitäts (Cole-Cole)kurven zeigen, die nicht-ideal sind, d. h. die erheblich von der idealen Halbkreisform abweichen. Es ist auch bekannt, daß ähnliche Abweichungen in den entsprechenden Impedanz- oder Z-Kurven und Admittanz- oder Y-Kurven gefunden werden können. Die üblich akzeptierte Deutung der sciefen Kreisbögen und Spuren in den Y- und Z-Darstellungen beruht auf dem Konzept der Warburg-Impedanz, das auf der Annahme eines Diffusionsmodells für das System beruht. Jedoch kann die Warburg-Impedanz nur Kreisbögen und Spuren erklären, die mit einem Winkel von π/4 gegen die Normale geneigt sind, während die vorliegenden experimentellen Daten klar einen breiten Bereich von Winkeln zeigen, in dem der Einheits-Neigungswinkel nur einen speziellen Fall darstellt. In der Arbeit wird vorgeschlagen, daß eine plausible Reinterpretation möglich ist, die den gesamten beobachteten Verhaltensbereich einschließt und Gebrauch macht von der „Nicht-Debye-Kapazität”︁, die ein frequenzunabhängiges Verhältnis des Imaginärteils zum Realteil der komplexen dielektrischen Suszeptibilität besitzt. Derartige Nicht-Debye-Eigenschaften werden allgemein in den meisten festen dielektrischen Materialien gefunden, und ein einfaches physikalisches Modell zur Erklärung dieses fast universellen Verhaltens wird vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Konzepts für die Interpretation eines weiten Bereichs komplexer Z- und Y-Kurven wird diskutiert und ergibt eine einfache und physikalisch plausible Erklärung des beobachteten Verhaltens.