Équation de Cole-Cole

L'équation de Cole-Cole est un modèle de relaxation qui est souvent utilisé pour décrire la relaxation diélectrique de polymères.

Elle est donnée par

$\varepsilon ^{*}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }}{1+(i\omega \tau )^{1-\alpha }}}$

où $\varepsilon ^{*}$ est la constante diélectrique (ou permittivité relative) complexe, $\varepsilon _{s}$ et $\varepsilon _{\infty }$ sont les constantes diélectriques « statique » et « fréquence infinie », $\omega$ est la fréquence angulaire et $\tau$ est un temps caractéristique.

Le paramètre $\alpha$, qui prend une valeur comprise entre 0 et 1, permet de décrire différentes formes spectrales. Quand $\alpha =0$, le modèle Cole-Cole se réduit au modèle de Debye. Quand $\alpha >0$, la relaxation est étirée, c'est-à-dire qu'elle s'étend sur une plage plus large que la relaxation de Debye.

La séparation de la constante diélectrique complexe $\varepsilon (\omega )$ a été donnée dans l'article original de Cole et Cole comme suit :

$\varepsilon '=\varepsilon _{\infty }+(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }){\frac {1+(\omega \tau )^{1-\alpha }\sin \alpha \pi /2}{1+2(\omega \tau )^{1-\alpha }\sin \alpha \pi /2+(\omega \tau )^{2(1-\alpha )}}}$

$\varepsilon ''={\frac {(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty })(\omega \tau )^{1-\alpha }\cos \alpha \pi /2}{1+2(\omega \tau )^{1-\alpha }\sin \alpha \pi /2+(\omega \tau )^{2(1-\alpha )}}}$

Ces dernières expressions se traduisent, après introduction des fonctions hyperboliques, par

$\varepsilon '=\varepsilon _{\infty }+{\frac {1}{2}}(\varepsilon _{0}-\varepsilon _{\infty })\left[1-{\frac {\sinh((1-\alpha )x)}{\cosh((1-\alpha )x)+\cos \alpha \pi /2}}\right]$

$\varepsilon ''={\frac {1}{2}}(\varepsilon _{0}-\varepsilon _{\infty }){\frac {\cos \alpha \pi /2}{\cosh((1-\alpha )x)+\sin \alpha \pi /2}}$

Où $x=\ln(\omega \tau )$.

On retrouve les expressions de Debye lorsque $\alpha =0$.

La relaxation de Cole-Cole constitue un cas particulier de la relaxation de Havriliak-Negami lorsque le paramètre de symétrie (β) est égal à 1, c'est-à-dire lorsque les pics de relaxation sont symétriques. Un autre cas particulier de relaxation de Havriliak-Negami (β<1, α=1) est connu sous le nom de « relaxation de Cole-Davidson ».

Références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Cole–Cole equation » (voir la liste des auteurs).

• K.S. Cole et R.H. Cole, « Dispersion and Absorption in Dielectrics - I Alternating Current Characteristics », J. Chem. Phys., vol. 9, n^o 4,‎ 1941, p. 341–352 (DOI 10.1063/1.1750906, Bibcode 1941JChPh...9..341C)
• K.S. Cole et R.H. Cole, « Dispersion and Absorption in Dielectrics - II Direct Current Characteristics », Journal of Chemical Physics, vol. 10, n^o 2,‎ 1942, p. 98–105 (DOI 10.1063/1.1723677, Bibcode 1942JChPh..10...98C)
• Y.P. Kalmykov, W.T. Coffey, D.S.F. Crothers et S.V. Titov, « Microscopic Models for Dielectric Relaxation in Disordered Systems », Physical Review E, vol. 70, n^o 4,‎ 2004, p. 041103 (PMID 15600393, DOI 10.1103/PhysRevE.70.041103, Bibcode 2004PhRvE..70d1103K)