Elektrochemische Impedanzspektroskopie

Elektrochemisch Impedanzspektroskopie ist eine mächtige Technik, die zur Charakterisierung von Werkstoffen basierend darauf, wie sie die der Stromfluss in so unterschiedlichen Anwendungen wie der Mikrobiologie und Korrosionsbeständigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit einer Probe basiert auf dem Make-up aller Komponenten der Probe. Aus diesem Grund kann EIS auch verwendet werden Um Änderungen in der Menge oder Struktur jeder Komponente. Die EIS wird durchgeführt, indem Sie eine kleine sinusförmige elektrische Last über Elektroden, die mit einer Probe verbunden sind in einem breiten Frequenzbereich. Basierend auf der gemessenen Reaktion Die Impedanz wird berechnet bei jede der Frequenzen. Computersoftware ist dann Wird verwendet, um die Ergebnisse darzustellen und erstellen Sie ein Ersatzschaltungsmodell das repräsentativ ist der beobachteten Daten. Das typische Ziel der Verwendung von EIS die Stichprobe Elektrische Gesamtimpedanz in Beiträge von Mechanismen wie Resistenz, Kapazität oder Induktion. Dieses Video veranschaulicht Die Grundsätze und Verfahren an der Umweltverträglichkeitsprüfung beteiligt sind, um Die Impedanz eines Materials. Es wird auch gezeigt, wie man Ersatzschaltungsmodelle der Probe.

Der elektrische Widerstand ist der Fähigkeit eines Schaltungselements um dem Stromfluss zu widerstehen. Und das Ohmsche Gesetz definiert den Widerstand als Spannung geteilt durch Strom. Beim Umgang mit Wechselströmen ist jedoch Elektrische Impedanz ist eine genauere und allgemeines Maß für die Fähigkeit um dem Stromfluss zu widerstehen. Dies liegt daran, Zusätzlich zu den Beständigkeit des Materials, Er berücksichtigt die Beitrag der Mechanismen, wie Kapazität und Induktion. Wenn ein angelegtes AC-Signal sinusförmig ist und die Reaktion linear ist, der erzeugte Strom wird auch sinusförmig sein, aber phasenverschoben. Zur Berücksichtigung der Frequenz- und Phasenverschiebung Wir können Impedanzgleichungen erstellen für Komponenten einer Schaltung unter Verwendung der Eulerschen Beziehung und komplexe Zahlen. Diese Modelle werden zur Interpretation von Daten verwendet Impedanz anzeigen, um unabhängig von der Frequenz der Widerstände, umgekehrt proportional zu Frequenz für Kondensatoren, und in direktem Zusammenhang mit Frequenz für Induktivitäten. Bei der EIS-Prüfung wendet das Gerät eine Wechselfeldspannung auf eine Probe und misst die aktuelle Reaktion. Das Reale und das Imaginäre Komponenten der Impedanz werden berechnet durch Bestimmung der Phasenverschiebung und Änderung der Amplitude mit unterschiedlichen Frequenzen. Ein Nyquist-Diagramm wird generiert indem das Imaginäre gezeichnet wird Bauteil auf der Y-Achse und das reale Bauteil auf der X-Achse. Einer der einfachsten Nyquist plots ist ein Halbkreis. Der Plot wird dann verwendet So erstellen Sie ein Schaltungsmodell die die Impedanz der Probe. Bei der Modellierung werden physikalische Prozesse Elementen einer Schaltung entsprechen. Zum Beispiel kann eine elektrische Doppelschicht entspricht einem Kondensator. Das Ersatzschaltungsmodell für dieses Diagramm wird durch einen in Reihe geschalteten Widerstand dargestellt mit einem Widerstand und einem Kondensator parallel. Dies ist ein üblicher Ausgangspunkt für die Interpretation einer Nyquist-Verschwörung. Die Software präsentiert Ihnen mit Ersatzschaltungsmodellen basierend auf deinem Nyquist-Plot aus dem Sie wählen können. Wenn diese Modelle nicht zu Ihren Daten passen Sie können manuell eine Schaltung, um die Daten anzupassen, Eine komplizierte Aufgabe. Im nächsten Abschnitt, Wir zeigen Ihnen, wie Sie Testen einer Kontrollstichprobe und eine experimentelle Probe mit EIS und bauen dann eine Ersatzschaltung auf , um die beobachteten Impedanzdaten darzustellen.

Sammeln Sie EIS-Instrumente und ein Testmodul. Testmodul anschliessen zu den EIS-Instrumenten über zwei Elektroden zur Modellierung Eine einfache bekannte Schaltung. Öffnen Sie die ZPlot-Software auf dem Computer , um die Parameter für das Testmodul festzulegen. DC-Potential auf Null setzen, AC-Amplitude bis 10 Millivolt, und den Dropdown-Pfeil zu versus offener Stromkreis. Legen Sie die Anfangshäufigkeit auf eins fest mal 10 bis sechs Hertz antreiben, Endfrequenz bis 100 Hertz, und Intervall bis 10. Wählen Sie logarithmisch und Schritte pro Dekade aus. Messen, dann sweepen, um Starten Sie eine neue Aufnahme, und beginnen Sie mit dem Sammeln von Daten. Vergleichen Sie Messwerte mit Erwartungswerten befindet sich auf der Vorderseite des Testmoduls. Wenn die Werte nicht übereinstimmen, Überprüfen Sie die Verkabelung und die Ausrüstung, und erneut testen. Entnehmen Sie die Probe von Beta-Aluminiumoxid und legen Sie es in die Baugruppe. Arbeiten im Abzug, Setzen Sie die Baugruppe in den Rohrofen ein und befestigen Sie die Elektroden. Öffnen Sie die ZPlot-Software Beibehaltung der gleichen Parameter Wird für das Testmodul verwendet und drücken Sie "Messen" und dann "Sweep". Öffnen Sie die ZView-Software um die Ergebnisse anzuzeigen wie Sie es für das Testmodul getan haben. Speichern Sie die Diagramme. Wählen Sie zwei Punkte aus, die in den Halbkreis passen. Drücken Sie dann die Sofortanpassungstaste um das Beste auszuwählen Modell der Ersatzschaltung. Zur Vereinfachung Wir haben dieses Experiment durchgeführt bei Raumtemperatur. EIS-Tests werden in der Regel durchgeführt von Variierende Amplitude oder Spannung sowie Temperatur.

Werfen wir nun einen Blick auf unsere Ergebnisse. Die Ergebnisse der Umweltverträglichkeitsprüfung sind dargestellt in einer Nyquist-Handlung Anzeige der realen Impedanz gegen komplexe Impedanz bei jeder getesteten Frequenz. Mehrere Optionen für Schaltkreise zur Modellierung Ihrer Daten zur Verfügung gestellt werden, Wählen Sie am besten das einfachste Modell Das spiegelt die Daten immer noch genau wider. Wählen Sie als Nächstes eine Ersatzschaltung, und unter Verwendung der daraus resultierenden Daten, Berechnen wir die Leitfähigkeit der Probe. Daten können auch an eine lineare Linie angepasst werden unter Verwendung der Gleichung für die Leitfähigkeit. Verwendung der gefundenen Werte durch wiederholte Tests für diese Probe, eine Leitfähigkeit von 1,67 Millisiemens pro Zentimeter berechnet wird, im Vergleich zum Gemeldeter Leitfähigkeitswert von ca. 4,1 Millisiemens pro Zentimeter. Dies deutet darauf hin, dass die Modell, das wir wählten, war ein gutes, wenn auch nicht perfekt passend.

Jetzt, da Sie die Methoden zu schätzen wissen der Mess- und Modellierungsimpedanz mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie, Werfen wir einen Blick auf einige der Die Anwendungen für dieses Tool. EIS kann verwendet werden, um Mikroorganismen in einer Probe. Wenn Bakterien auf einer Probe wachsen Es kann die elektrische Leitfähigkeit der Probe. Aus diesem Grund kann EIS Wird zur Messung der Impedanz verwendet zur Bestimmung des Bevölkerungswachstums. Diese Technik ist bekannt als Impedanzmikrobiologie. EIS wird auch verwendet in der Lack und die Korrosion Präventionsindustrie. Materialien, die eine Widerstand von weniger als 10 hoch sechs Ohm pro Quadratzentimeter schützt möglicherweise nicht vor dem Elektrisch-chemische Prozesse die jeden Tag Angriffsflächen haben. EIS-Tests prognostizieren die Eigenschaften der Korrosionsbeständigkeit der zu verwendenden Materialien in rauen Umgebungen, Einsparungen in Milliardenhöhe in Reparaturen jedes Jahr nur in den Vereinigten Staaten.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE gesehen bis hin zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Sie sollten jetzt verstehen Testen und Modellieren der Impedanz-Eigenschaften von Materialien. Danke fürs Zuschauen.