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The Orientation Polarization in Hexagonal Ice Parallel and Perpendicular to the c-axis

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

G. P. Johari
Affiliation:
Glaciology Division, Inland Waters Directorate, Department of Fisheries and Environment, Ottawa, Ontario K1A 0E7, Canada
S. J. Jones
Affiliation:
Glaciology Division, Inland Waters Directorate, Department of Fisheries and Environment, Ottawa, Ontario K1A 0E7, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The relative permittivity and loss of zone-refined single crystals of hexagonal ice have been measured in the temperature range 200–271 K and frequency range 0.5 HZ–0.2 MHz, using brass, stainless steel, and gold-foil electrodes. The c-axis of the crystal was oriented parallel to the electric field in 14 samples and perpendicular to the field in 8 samples. The equilibrium relative permittivity of orientation polarization ϵ0, parallel and perpendicular to the c-axis, is 96.5±1 and the average relaxation time τay is 36 μs at 265±0.5K; ϵ0 = 124±1.5 and τav = 30 ms, at 210 K. The magnitude of the orientation polarization obeys the Curie-Weiss equation with T 0= 15±2 K for both the orientations. These values are in contrast with the c. 17% difference in ϵo for the two orientations reported in the literature. The extrapolated limiting high-frequency relative permittivity ϵ∞, measured for both the orientations, is indistinguishable within 0.5%.

The logarithmic plot of the product of τav and temperature against the reciprocal temperature is linear in the range 210–271 K and gives an activation energy and a pre-exponential factor of 51±2 kJ mol–1 and 0.93±0.22 ps K respectively, for both the orientations of the c-axis with respect to the electric field. The decrease in activation energy which has been reported to occur in polycrystalline ice and in single crystal ice near 230 K is not found until a temperature of 210 K. Single crystals of ice stored in the dielectric cell, after the completion of measurements, for periods ranging from 1–11 weeks at 253±2 K showed no change in their ϵ0, τav, ϵ∞ that could be attributed to the effect of ageing on the orientation polarization.

Résumé

Résumé

La permittivité relative et le facteur de perte des cristaux de glace hexagonaux obtenus par zone fondue sont mesurés dans un domaine de température comprise entre 200–271 K, et de fréquency comprise entre 0,5 Hz-0,2 MHz, en utilisant des feuilles électrode de laiton, d’acier et d’or. Sur 14 échantillons l’axe c est orienté parallèlement au champ électrique et sur 8 autres, I’axe c est orienté perpendiculairement. La permittivité relative en équilibre, ϵ 0, pour ces deux orientations est de 96,5±1 et le temps de relaxation moyen, τ av, est de 36 μs à 265,5±0,5 K. A 210 K, on a ϵ 0 = 124± 1,5 et τ av = 30 ms. L’intensité de la polarisation en fonction de l’orientation obéit à l’équation de Curie–Weiss avec T 0= 15±2 K pour les deux orientations. Les valeurs ϵ 0 et τ av trouvées ci-dessus sont en contradiction avec celles données dans la littérature (ϵ 0 diffère de 17% entre les deux orientations). La permittivité relative extrapolée à très haute fréquence, ϵ ?, obtenue pour les deux orientations est différente seulement de <0,5%.

Le tracé logarithmique du produit τ av T, en fonction de l’inverse de la température, 1/T, est linéaire dans le domaine de température 210–271 K. On trouve ainsi une énergie d’activation de 51±2 kJ mol–1 et un facteur préexponentiel de 0,93±0,22 ps K pour les deux orientations de l’axe c par rapport au champ électrique. La décroissance de l’énergie d’activation aux alentours de 230 K, qui a été signalée aussi bien dans la glace polycristailine que dans le glace monocristalline n’a pu être observée même jusqu’à 210 K. Des mesures completes de ϵ 0, τ av, ϵ ?) sur des monocristaux de glace conserves dans la cellule diélectrique pendant une periode de 1 a 11 semaines à 253±2 K montrent que ces valeurs restent inchangées; autrement dit, it n’y a pas eu d’influence du vieillissement quant au rôle de l’orientation de la polarisation.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die relative Permittivität und der dielektrische Verlust zonengereinigter Einkristalle hexagonalen Eises wurden im Temperaturbereich 200–271 K und im Frequenzbereich 0,5 Hz–0,2 MHz gemessen. Es wurden Elektroden aus Messing, rostfreiem Stahl und aus Goldfolien verwendet. Die c-Achse des Kristalls war in 14 Proben parallel zum elektrischen Feld gerichtet und in 8 Proben senkrecht duzu. Die relative Gleichgewichtspermittivität der Orientierungspolarisation, ϵ 0, parallel und senkrecht zur c-Achse, ist 96,5±1 und die mittlere Relaxationszeit τ av beträgt 36 μs bei 265,5±0,5 K; bei 210 K ist ϵ 0 = 124+ 1,5 und τ av = 30 ms. Der Betrag der Orientierungspolarisation folgt einer Curie–Weiss-Gleichung mit T 0 = 15±2 K für beide Kristallrichtungen. Diese Werte stehen im Gegensatz zu den etwa 17% Unterschied in ϵ 0 für die beiden Kristallrichtungen, die in der Literatur angegeben werden. Der extrapolierte Hochfrequenzgenzwert der relatives Permittivität, ϵ ?, gemessen in beiden Kristallrichtungen, ist innerhalb 0,5% nicht unterscheidbar.

Das logarithmische Diagramm des Produkts von τ av und der Temperatur in Abhängigkeit der reziproken Temperatur ist im Bereich 210–271 K linear und gibt eine Aktivierungsenergie von 51±2 kJ mol–1 und einen Exponentialvorfaktor von 0,93±0,22 ps K für beide Richtungen der c-Achse in bezug zum elektrischen Feld. Eine Abnahme der Aktivierungsenergie, die in vielkristallinem und einkristallinem Eis nahe bei 230 K eintreten soil, wurde his herab zur Temperatur von 210 K nicht gefunden. Eis-Einkristalle, die nach der Beendigung der Messungen in der dielektrischen Messzelle für Zeitdauern von 1–11 Wochen bei 253±2 K gelagert wurden, zeigten in ihren ϵ 0, τ av und ϵ ? keine Veränderung, die einem Alterungseinfluss auf die Orientierungspolarisation zugeordnet werden konnte.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1.Diagram of the dielectric cell used for the study of single crystals of ice.

Figure 1

Table I.Preparation and descriptlqn of the ice crystals obtained by zone-refining method, and details of the samples and elegtrodes used in the study

Figure 2

Fig. 2.The change in the shape of the complex-plane plots of the relative permittivity and loss of an ice sample measured paralle to the c-axis. Left half: measured at 268.4 K, (a) after 48 h, (b) after 70 h. Right half: measured at 265.8 K, (a) after 49 h, (b) after the application of 2.1 kV cm–1 electric field along the c-axis for e.8 h. The numbers besides the filled data points are frequencies in hertz.

Figure 3

Fig. 3.Complex-plane plots of the relative permittivity and loss of ice at several temperatures. The left half is for measurement with the c-axis oriented parallel to the electric field and the right half for that oriented perpendicular to the field. The numbers besides the filled data points are frequencies in hertz. The plots have been progressively shifted upwards as indicated by the axis.

Figure 4

Fig. 4.Normalized plots of the dielectric loss of ice against frequency at several temperatures. The solid line is the theoretical curve for a Debye-type relaxation.○, parallel to the c-axis at 238.1 K and •, at 201.5 K. △, perpendicular to the c-axis at 235.9 K and ?, at 202.6K.

Figure 5

Fig. 5.The variation of the equilibrium relative permittivity of ice with temperature;○, parallel to the c-axis; △, perpendicular to the c-axis.

Figure 6

Table II.Equilibrium relative permittivity and relaxation time ofhexagonal ice near 266 k for the two orientations

Figure 7

Fig. 6.The variation of (ϵ0 – ϵ?)–1 with temperature for ice; ?, parallel to the c-axis; Δ, perpendicular to the c-axis.

Figure 8

Table III.The empirical constants of the curie-weiss equation, and the pre-exponential factor and activation energy calculated from eyring’s equation for hexagonal ice for the two orientations

Figure 9

Fig. 7.The limiting high-frequency relative permittivity plotted against temperature; ?, parallel to the c-axis, and Δ perpendicular to the c-axis. The data points above 240 K are from Johari (1976).

Figure 10

Fig. 8.The variation of the product of the average relaxation time and temperature of ice plotted logarithmically against reciprocal temperature. ?, parallel to the c-axis; Δ, perpendicular to the c-axis.

Figure 11

Fig. 9.The relative permittivity and loss of ice at 0.1 kHz plotted against temperature to show the combined effect of variation in τav, ϵ0 and ϵ? on the orientation of the sample. ?, parallel to the c-axis, and Δ, perpendicular to the c-axis. Open data points are for ϵ? and filled data points for ϵ?.