Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna

Elektrochemiczne spektroskopia impedancyjna jest potężną techniką stosowaną do charakteryzowania materiałów w oparciu o sposób, w jaki utrudniają Przepływ energii elektrycznej w zastosowaniach tak różnorodnych, jak mikrobiologia i odporność na korozję. Przewodność elektryczna próbki opiera się na makijażu wszystkich komponentów próby. Z tego powodu EIS może być również używany w celu wykrycia zmian w Ilość lub struktura każdego komponentu. EIS przeprowadza się poprzez zastosowanie małe sinusoidalne obciążenie elektryczne przez elektrody podłączone do próbki w szerokim zakresie częstotliwości. Na podstawie zmierzonej odpowiedzi, impedancja jest obliczana przy każdej z częstotliwości. Oprogramowanie komputerowe jest wtedy Służy do wykreślania wyników i zbuduj równoważny model obwodu który jest reprezentatywny zaobserwowanych danych. Typowy cel korzystania z EIS rozbija próbkę Całkowita impedancja elektryczna na wkłady z mechanizmy, takie jak opór, pojemność lub indukcja. Ten film zilustruje to Zasady i procedury zaangażowane w EIS w celu określenia impedancja materiału. Pokaże również, jak tworzyć modele obwodów równoważnych próbki.

Rezystancja elektryczna to Zdolność elementu obwodu aby oprzeć się przepływowi energii elektrycznej. A prawo Ohma definiuje opór jako napięcie podzielone przez prąd. Jednak w przypadku prądów przemiennych Impedancja elektryczna jest dokładniejsza i ogólna miara zdolności aby oprzeć się przepływowi energii elektrycznej. Dzieje się tak, ponieważ, W uzupełnieniu do wytrzymałość materiału, Odpowiada on za wkład mechanizmów, takie jak pojemność i indukcja. Jeśli zastosowany sygnał prądu przemiennego jest sinusoidalny a odpowiedź jest liniowa, Prąd produkowany będzie również sinusoidalny, ale przesunął się w fazie. Aby uwzględnić Częstotliwość i przesunięcie fazowe możemy budować równania impedancji dla elementów obwodu przy użyciu zależności Eulera i liczby zespolone. Modele te służą do interpretowania danych pokazując impedancję jako niezależność od częstotliwości dla rezystorów, odwrotnie proporcjonalne do częstotliwość dla kondensatorów, i bezpośrednio związane z częstotliwość dla cewek indukcyjnych. Podczas testów EIS przyrząd stosuje napięcie pola przemiennego do próbki i mierzy bieżącą reakcję. To, co realne i wyimaginowane Składowe impedancji są obliczane według wzoru Wyznaczanie przesunięcia fazowego i zmiana amplitudy na różnych częstotliwościach. Generowany jest wykres Nyquista kreśląc to, co wyimaginowane komponent na osi Y i składową rzeczywistą na osi X. Jeden z najprostszych Nyquist Działki to półkole. Działka jest następnie wykorzystywana Aby zbudować model obwodu , który najlepiej reprezentuje impedancji próbki. Podczas modelowania procesy fizyczne odpowiadają elementom obwodu. Na przykład podwójna warstwa elektryczna odpowiada kondensatorowi. Równoważny model obwodu dla tej działki jest reprezentowany przez rezystor połączony szeregowo z rezystorem i kondensatorem równolegle. Jest to częste miejsce startowe do interpretacji wątku Nyquista. Oprogramowanie przedstawi Ci z równoważnymi modelami obwodów na podstawie twojej fabuły Nyquist do wyboru. Jeśli te modele nie pasują do Twoich danych Można ręcznie modelować obwód pasujący do danych, Skomplikowane zadanie. W następnej sekcji Pokażemy Ci, jak to zrobić Badanie próbki kontrolnej oraz próbkę doświadczalną z EIS a następnie zbuduj równoważny obwód w celu przedstawienia danych dotyczących obserwowanej impedancji.

Zbierz instrumenty EIS i moduł testowy. Podłącz moduł testowy do instrumentów EIS za pomocą dwóch elektrod do modelowania Prosty znany obwód. Otwórz oprogramowanie ZPlot na komputerze , aby ustawić parametry modułu testowego. Ustaw potencjał prądu stałego na zero, amplituda prądu przemiennego do 10 miliwoltów, i strzałka listy rozwijanej do kontra obwód otwarty. Ustaw częstotliwość początkową na jeden razy 10 do potęgi sześciu herców, częstotliwość końcowa do 100 herców, i interwał do 10. Wybierz logarytmię i kroki na dekadę. Zmierz, a następnie zamiatanie, aby rozpocznij nowe nagranie, i rozpocznij zbieranie danych. Porównaj zmierzone wartości z wartościami oczekiwanymi znajduje się z przodu modułu testowego. Jeśli wartości nie są zgodne, sprawdzić okablowanie i sprzęt, i przetestuj ponownie. Pobrać próbkę tlenku glinu beta i umieść go w montażu. Praca pod wyciągiem, Włóż zespół do pieca rurowego i przymocuj elektrody. Otwórz oprogramowanie ZPlot przy zachowaniu tych samych parametrów używany dla modułu testowego i naciśnij przycisk Zmierz, a następnie zamiataj. Otwórz oprogramowanie ZView , aby wyświetlić wyniki tak jak to zrobiłeś w przypadku modułu testowego. Zapisz działki. Wybierz dwa punkty, aby dopasować się do półkoła. Następnie naciśnij przycisk natychmiastowego dopasowania aby wybrać najlepsze równoważny model obwodu. Dla uproszczenia, Przeprowadziliśmy ten eksperyment w temperaturze pokojowej. Testy EIS są zwykle przeprowadzane przez zmienna amplituda lub napięcie a także temperatura.

Rzućmy teraz okiem na nasze wyniki. Wyniki EIS są następujące przedstawione w fabule Nyquista Pokazuje rzeczywistą impedancję kontra impedancja złożona przy każdej badanej częstotliwości. Wiele opcji obwodów w celu modelowania podawane są Twoje dane, Najlepiej wybrać najprostszy model To nadal dokładnie odzwierciedla dane. Następnie wybierz równoważny obwód, i wykorzystując uzyskane dane, Obliczmy przewodność próbki. Dane można również dopasować do linii liniowej za pomocą równania przewodności. Korzystanie ze znalezionych wartości poprzez wielokrotne badania dla tej próbki, przewodność 1,67 milisiemens na centymetr jest obliczany, W porównaniu z Podana wartość przewodności wynoszącej około 4,1 milisiemens na centymetr. Oznacza to, że model, który wybraliśmy, był dobry, choć nie jest to idealne dopasowanie.

Teraz, gdy doceniasz metody pomiaru i modelowania impedancji za pomocą elektrochemikaliów spektroskopia impedancyjna, Rzućmy okiem na niektóre z nich aplikacji dla tego narzędzia. EIS może być używany do przyjrzenia się mikroorganizmów w próbce. Gdy na próbce rozwijają się bakterie może zmienić elektryczność przewodność próbki. Z tego powodu EIS może być Służy do pomiaru impedancji w celu określenia wzrostu populacji. Ta technika jest znana jako mikrobiologia impedancyjna. EIS jest również stosowany w farba i korozja Branże prewencyjne. Materiały, które pokazują Rezystancja elektryczna mniejszej niż 10 do potęgi sześć omów na centymetr kwadratowy nie może chronić przed elektryczne procesy chemiczne Ten atak pojawia się każdego dnia. Testy EIS przewidują, że Właściwości odporności na korozję materiałów, które mają być użyte w trudnych warunkach, Oszczędność miliardów dolarów w naprawach każdego roku w samych Stanach Zjednoczonych.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej. Powinieneś teraz zrozumieć Jak testować i modelować Charakterystyka impedancji materiałów. Dzięki za oglądanie.