Spectroscopie d'impédance électrochimique

Électrochimique spectroscopie d’impédance est une technique puissante utilisée pour caractériser les matériaux en fonction de la façon dont ils entravent le flux d’électricité dans des applications aussi diverses que la microbiologie et résistance à la corrosion. La conductivité électrique d’un échantillon est basé sur la composition de tous les composants de l’échantillon. Pour cette raison, l’EIS peut également être utilisé pour détecter les modifications apportées à la quantité ou structure de chaque composant. L’EIS est réalisée en appliquant une petite charge électrique sinusoïdale à travers les électrodes connectées à un échantillon à une large gamme de fréquences. Sur la base de la réponse mesurée, l’impédance est calculée à chacune des fréquences. Les logiciels informatiques sont alors utilisé pour tracer les résultats et construire un modèle de circuit équivalent c’est-à-dire représentatif des données observées. L’objectif typique de l’utilisation de l’EIS décompose la Impédance électrique totale en contributions de mécanismes tels que la résistance, capacité, ou induction. Cette vidéo illustrera Les principes et les procédures participer à l’EIE afin de déterminer l’impédance d’un matériau. Il montrera également comment créer modèles de circuit équivalents de l’échantillon.

La résistance électrique est la Capacité d’un élément de circuit pour résister au flux d’électricité. Et la loi d’Ohm définit la résistance sous forme de tension divisée par le courant. Cependant, lorsqu’il s’agit de courants alternatifs, l’impédance électrique est une et mesure générale de la capacité pour résister au flux d’électricité. En effet, en plus de la résistance du matériau, il tient compte de la contribution des mécanismes, tels que la capacité et l’induction. Si un signal CA appliqué est sinusoïdal et la réponse est linéaire, le courant produit seront également sinusoïdaux, mais a changé de phase. Pour tenir compte de la Fréquence et déphasage Nous pouvons construire des équations d’impédance pour les composants d’un circuit utilisation de la relation d’Euler et les nombres complexes. Ces modèles sont utilisés pour interpréter les données montrant l’impédance à être indépendant de la fréquence des résistances, inversement lié à fréquence des condensateurs, et directement lié à fréquence des inductances. Lors des essais EIS, l’instrument s’applique une tension de champ alternatif à un échantillon et mesure la réponse actuelle. Le réel et l’imaginaire composants de l’impédance sont calculés par Détermination du déphasage et changement d’amplitude à différentes fréquences. Un graphique de Nyquist est généré en traçant l’imaginaire composant sur l’axe Y et la composante réelle sur l’axe X. L’un des Nyquist les plus simples plots est un demi-cercle. Le tracé est ensuite utilisé Pour construire un modèle de circuit qui représente le mieux le impédance de l’échantillon. Lors de la modélisation, les processus physiques correspondent à des éléments d’un circuit. Par exemple, une double couche électrique correspond à un condensateur. Le modèle de circuit équivalent pour ce graphique est représentée par une résistance en série avec une résistance et un condensateur en parallèle. Il s’agit d’un point de départ courant pour l’interprétation d’un complot de Nyquist. Le logiciel vous présentera avec des modèles de circuits équivalents basé sur votre parcelle de Nyquist à vous de choisir. Si ces modèles ne correspondent pas à vos données Vous pouvez modéliser manuellement un circuit pour s’adapter aux données, une tâche compliquée. Dans la section suivante, Nous allons vous montrer comment Tester un échantillon de contrôle et un échantillon expérimental avec EIS puis construire un circuit équivalent pour représenter les données d’impédance observées.

Rassemblez les instruments EIS et un module de test. Branchez le module de test aux instruments EIS via deux électrodes pour modéliser un circuit simple connu. Ouvrez le logiciel ZPlot sur l’ordinateur pour définir les paramètres du module de test. Mettre le potentiel DC à zéro, Amplitude CA jusqu’à 10 millivolts, et la flèche déroulante à versus circuit ouvert. Définir la fréquence initiale à un fois 10 pour alimenter six hertz, fréquence finale à 100 hertz, et intervalle à 10. Sélectionnez logarithmique et pas par décennie. Mesurez, puis balayez, pour démarrer un nouvel enregistrement, et commencer à collecter des données. Comparer les valeurs mesurées aux valeurs attendues situé à l’avant du module de test. Si les valeurs ne correspondent pas, vérifier le câblage et l’équipement, et retestez. Obtenir l’échantillon d’alumine bêta et mettez-le dans l’assemblage. Travailler dans la hotte, Insérez l’ensemble dans le four tubulaire et fixez les électrodes. Ouvrez le logiciel ZPlot Garder les mêmes paramètres Utilisé pour le module de test et appuyez sur Mesurer, puis Balier. Ouvrez le logiciel ZView Pour voir les résultats Comme vous l’avez fait pour le module de test. Sauvegardez les parcelles. Choisissez deux points pour ajuster le demi-cercle. Appuyez ensuite sur le bouton d’ajustement instantané pour choisir le meilleur modèle de circuit équivalent. Pour simplifier, Nous avons mené cette expérience à température ambiante. Les tests EIS sont généralement exécutés par amplitude ou tension variable ainsi que la température.

Jetons maintenant un coup d’œil à nos résultats. Les résultats de l’EIE sont les suivants présenté dans un complot de Nyquist Affichage de l’impédance réelle Contre impédance complexe à chaque fréquence testée. Plusieurs options de circuits pour modéliser vos données sont fournies, Il est préférable de choisir le modèle le plus simple Cela reflète toujours fidèlement les données. Ensuite, choisissez un circuit équivalent, et en utilisant les données résultantes, calculons le conductivité de l’échantillon. Les données peuvent également être ajustées à une ligne linéaire en utilisant l’équation de conductivité. Utilisation des valeurs trouvées grâce à des tests répétés sur cet échantillon, une conductivité de 1,67 millisiemens par centimètre est calculé, par rapport à l' Valeur de conductivité rapportée d’environ 4,1 millisiemens par centimètre. Cela indique que le le modèle que nous avons choisi était un bon, mais pas parfaitement.

Maintenant que vous appréciez les méthodes de mesure et de modélisation de l’impédance à l’aide d’un spectroscopie d’impédance, Jetons un coup d’œil à quelques-uns des les applications de cet outil. EIS peut être utilisé pour examiner micro-organismes dans un échantillon. Quand des bactéries se développent sur un échantillon il peut changer l’électricité conductivité de l’échantillon. Pour cette raison, l’EIS peut être Utilisé pour mesurer l’impédance pour déterminer la croissance démographique. Cette technique est connue comme la microbiologie d’impédance. EIS est également utilisé dans la peinture et la corrosion industries de prévention. Matériaux qui présentent une résistance de moins de 10 à la puissance six Ohms par centimètre carré peut ne pas protéger contre le procédés chimiques électriques Cette attaque fait surface tous les jours. Les tests EIS prédisent le Propriétés de résistance à la corrosion des matériaux à utiliser dans des environnements difficiles, Des milliards de dollars d’économies en réparations chaque année rien qu’aux États-Unis.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la spectroscopie d’impédance électrochimique. Vous devriez maintenant comprendre Comment tester et modéliser le Caractéristiques d’impédance des matériaux. Merci d’avoir regardé.