Ионная поляризация возникает в диэлектриках, структура которых образована чередующимися положительно и отрицательно заряженными ионами. Под действием внешнего электрического поля эти ионы смещаются в противоположные стороны: катионы — в сторону, противоположную направлению поля, а анионы — в сторону, совпадающую с направлением поля. Такое смещение приводит к образованию дипольного момента в элементарной ячейке кристалла, даже если в отсутствии поля он был равен нулю.
Ионная поляризация характерна прежде всего для ионных кристаллов, таких как NaCl, KCl, CsCl, LiF, MgO, а также для некоторых смешанных кристаллов и сложных оксидов. Ее вклад в диэлектрическую восприимчивость особенно велик в материалах с высокой подвижностью ионов и сравнительно низкой частотой колебаний ионных решеток.
Под действием электрического поля E ионы испытывают силы:
F+ = +qE, F− = −qE
где q — величина элементарного заряда иона (с учетом его валентности). Эти силы вызывают смещение ионов на величины u+ и u− относительно их равновесных положений. В упрощённой модели, считая, что ионы связаны с положением в решетке упругими силами с коэффициентами k+ и k−, можно записать:
qE = k+u+, − qE = −k−u−
Общее относительное смещение ионов в ячейке будет:
u = u+ + u−
Именно это смещение формирует ионный дипольный момент:
p = qu
Часто поведение ионов рассматривают в приближении гармонических осцилляторов, связанных между собой силами упругости решётки. Уравнение движения для смещения u в электрическом поле имеет вид:
$$ M \frac{d^2u}{dt^2} + M \gamma \frac{du}{dt} + k u = qE $$
где:
В стационарном режиме при постоянном поле (ω = 0) решение даёт статическое смещение:
$$ u = \frac{qE}{k} $$
Таким образом, поляризация на единицу объёма:
$$ P = N q u = \frac{N q^2}{k} E $$
где N — число ионных пар в единице объёма.
Вклад ионной поляризации в статическую диэлектрическую проницаемость εs определяется через ионную поляризуемость αi:
$$ P = N \alpha_i E, \quad \alpha_i = \frac{q^2}{k} $$
Тогда:
$$ \varepsilon_s - \varepsilon_\infty = \frac{N q^2}{\varepsilon_0 k} $$
Здесь ε∞ — оптическая (высокочастотная) проницаемость, обусловленная в основном электронной поляризацией.
Ионная поляризация проявляется в ограниченном диапазоне частот. Она эффективна в низкочастотной области (радиочастоты и ниже), где ионы успевают смещаться вслед за переменным полем. При увеличении частоты приближающейся к собственным колебаниям ионной решётки ($\omega \approx \omega_0 = \sqrt{k/M}$) наблюдается резонанс в диэлектрическом отклике — фононный резонанс.
На частотах, значительно превышающих ω0, ионная поляризация не успевает следовать за изменениями поля, и её вклад в диэлектрическую проницаемость исчезает.
В отличие от ориентационной поляризации, ионная поляризация слабо зависит от температуры в диапазоне, далёком от фазовых переходов. Однако вблизи температур, при которых изменяется симметрия кристаллической решётки (например, в сегнетоэлектриках при точке Кюри), ионная поляризация может возрастать в несколько раз из-за уменьшения константы упругости k.
Энергия, запасённая в диэлектрике за счёт ионной поляризации, связана с работой по смещению ионов:
$$ W = \frac{1}{2} k u^2 $$
С учётом внешнего поля:
$$ W = \frac{1}{2} \frac{q^2 E^2}{k} $$
Эта энергия в значительной степени определяется жесткостью ионной решётки и может изменяться при примесной модификации кристалла.
Поскольку ионная поляризация связана с колебаниями решётки, её резонансные частоты лежат в инфракрасной области спектра. Именно фононные моды, активные в ИК-диапазоне, напрямую отражают характер ионной поляризации. Поглощение ИК-излучения в ионных кристаллах связано с возбуждением этих колебаний, а их частоты и интенсивности дают информацию о константах упругости, массах ионов и величине поляризуемости.