Espectroscopia de Impedância Eletroquímica

Eletroquímico espectroscopia de impedância é uma técnica poderosa usada para caracterizar materiais com base em como eles impedem o fluxo de eletricidade em aplicações tão diversas quanto a microbiologia e resistência à corrosão. A condutividade elétrica de uma amostra é baseado na maquiagem de todos os componentes da amostra. Por causa disso, o EIS também pode ser usado para detectar alterações no quantidade ou estrutura de cada componente. O EIS é realizado aplicando-se uma pequena carga elétrica senoidal através de eletrodos conectados a uma amostra em uma ampla faixa de frequências. Com base na resposta medida, impedância é calculada em cada uma das frequências. O software de computador é então usado para plotar os resultados e construir um modelo de circuito equivalente que é representativo dos dados observados. O objetivo típico de usar o EIS está dividindo o exemplo impedância elétrica total em contribuições de mecanismos como resistência, capacitância ou indução. Este vídeo vai ilustrar os princípios e procedimentos envolvidos no EIS para determinar a impedância de um material. Também demonstrará como criar modelos de circuitos equivalentes da amostra.

A resistência elétrica é a capacidade de um elemento de circuito para resistir ao fluxo de eletricidade. E a Lei de Ohm define resistência como tensão dividida pela corrente. Ao lidar com correntes CA, no entanto, impedância elétrica é mais precisa e medida geral da capacidade para resistir ao fluxo de eletricidade. Isso ocorre porque, além do resistência do material, é responsável pelo contribuição dos mecanismos, como capacitância e indução. Se um sinal CA aplicado for senoidal e a resposta é linear, a corrente produzida também será senoidal, mas mudou de fase. Para levar em conta o Frequência e mudança de fase podemos construir equações de impedância para componentes de um circuito usando o Relacionamento de Euler e números complexos. Esses modelos são usados para interpretar dados mostrando impedância para ser independente da frequência para resistores, inversamente relacionado a frequência para capacitores, e diretamente relacionado com frequência para indutores. Durante o teste EIS, o instrumento aplica-se uma tensão de campo alternada para uma amostra e mede a resposta atual. O real e o imaginário Componentes de impedância são calculados por Determinando a mudança de fase e mudança na amplitude em diferentes frequências. Um gráfico de Nyquist é gerado traçando o imaginário componente no eixo Y e o componente real no eixo X. Um dos mais simples Nyquist plots é um semicírculo. O gráfico é então usado Para criar um modelo de circuito que melhor representa o impedância da amostra. Durante a modelagem, os processos físicos correspondem a elementos de um circuito. Por exemplo, uma camada dupla elétrica corresponde a um capacitor. O modelo de circuito equivalente para este gráfico é representado por um resistor em série com um resistor e capacitor em paralelo. Este é um ponto de partida comum para a interpretação de um enredo de Nyquist. O software irá apresentá-lo com modelos de circuito equivalentes com base no seu gráfico de Nyquist para você escolher. Se esses modelos não ajustarem seus dados Você pode modelar manualmente um circuito para ajustar os dados, uma tarefa complicada. Na próxima seção, vamos mostrar-lhe como testar uma amostra de controle e uma amostra experimental com EIS e então construir um circuito equivalente para representar os dados de impedância observados.

Reúna instrumentos EIS e um módulo de teste. Conecte o módulo de teste aos instrumentos EIS através de dois eletrodos para modelar um circuito simples conhecido. Abra o software ZPlot no computador para definir os parâmetros para o módulo de teste. Defina o potencial DC como zero, amplitude CA para 10 milivolts, e a seta suspensa para versus circuito aberto. Defina a frequência inicial como um vezes 10 para alimentar seis hertz, frequência final a 100 hertz, e intervalo para 10. Selecione logarítmico e etapas por década. Meça e depois varra, para iniciar uma nova gravação, e começar a coletar dados. Compare os valores medidos com os valores esperados encontrado na parte frontal do módulo de teste. Se os valores não corresponderem, verifique a fiação e o equipamento, e testar novamente. Obter a amostra de beta-alumina e colocá-lo na assembléia. Trabalhando na hotte, Insira o conjunto no forno tubular e conecte os eletrodos. Abra o software ZPlot mantendo os mesmos parâmetros usado para o módulo de teste e pressione Medir e depois Varrer. Abra o software ZView para visualizar os resultados como você fez para o módulo de teste. Salve os gráficos. Escolha dois pontos para caber no semicírculo. Em seguida, pressione o botão de ajuste instantâneo para escolher o melhor modelo de circuito equivalente. Para simplificar, nós fizemos este experimento à temperatura ambiente. Os testes EIS geralmente são executados por amplitude ou tensão variável bem como a temperatura.

Vamos agora dar uma olhada em nossos resultados. Os resultados do EIS são apresentado em um enredo de Nyquist mostrando impedância real versus impedância complexa em cada frequência testada. Múltiplas opções de circuitos para modelar seus dados são fornecidos, É melhor escolher o modelo mais simples que ainda reflete com precisão os dados. Em seguida, escolha um circuito equivalente, e usando os dados resultantes, vamos calcular o condutividade da amostra. Os dados também podem ser ajustados a uma linha linear usando a equação para condutividade. Usando os valores encontrados através de testes repetidos para esta amostra, uma condutividade de 1,67 milisiemens por centímetro é calculado, em comparação com o valor de condutividade relatado de aproximadamente 4,1 milisiemens por centímetro. Isso indica que o modelo que escolhemos foi um bom, embora não seja um ajuste perfeito.

Agora que você aprecia os métodos de medição e modelagem de impedância usando eletroquímico espectroscopia de impedância, Vamos dar uma olhada em alguns dos as aplicações para esta ferramenta. O EIS pode ser usado para olhar para microrganismos em uma amostra. Quando as bactérias crescem em uma amostra pode mudar o elétrico condutividade da amostra. Por isso, o EIS pode ser usado para medir a impedância para determinar o crescimento populacional. Esta técnica é conhecida como microbiologia de impedância. EIS também é usado em a pintura e a corrosão indústrias de prevenção. Materiais que mostram um resistência elétrica inferior a 10 para a potência seis Ohms por centímetro quadrado pode não proteger contra o Processos químicos elétricos Esse ataque surge todos os dias. O teste EIS prevê o propriedades de resistência à corrosão de materiais a serem usados em ambientes agressivos, Economizando bilhões de dólares em reparos todos os anos apenas nos Estados Unidos.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à espectroscopia de impedância eletroquímica. Agora você deve entender como testar e modelar o características de impedância de materiais. Obrigado por assistir.