Spectroscopie électrochimique d'Impedance

Materials Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Overview

Source : Kara Ingraham, Jared McCutchen, et Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT

La résistance électrique est la capacité d'un élément de circuit électrique à résister à l'écoulement de l'électricité. La résistance est définie par la loi d'Ohm :

Equation 1(Équation 1)

Equation 2 est Equation 3 la tension et est le courant. La loi d'Ohm est utile pour déterminer la résistance des résistants idéaux. Cependant, de nombreux éléments de circuit sont plus complexes et ne peuvent pas être décrits par la seule résistance. Par exemple, si un courant alternatif (AC) est utilisé, la résistance dépendra souvent de la fréquence du signal AC. Au lieu d'utiliser la résistance seule, l'impédance électrique est une mesure plus précise et plus généralisable de la capacité d'un élément de circuit à résister au flux d'électricité.

Le plus souvent, l'objectif des mesures d'impédance électrique est la déconvolution de l'empédance électrique totale d'un échantillon en contributions de différents mécanismes tels que la résistance, la capacité ou l'induction.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingénierie des matériaux. Spectroscopie électrochimique d'Impedance. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

Pendant la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), une tension AC est appliquée à un échantillon à différentes fréquences et le courant électrique est mesuré. Lorsqu'il s'agit de courantsEquation 4AC impedance ( ) remplace la résistance (Equation 5) dans la loi d'Ohm. Si le signal AC d'origine est sinusoïdal, une réponse linéaire signifie que le courant produit sera également sinusoïdal, mais décalé en phase. La comptabilisation de la fréquence et du changement de phase de la tension et du courant est plus Equation 4 facilement accomplie en utilisant la relation d'Euler et les nombres complexes où nous avons à la fois un composant réel et un composant imaginaire à . De là, nous pouvons construire des équations pour l'impédance pour différents composants d'un circuit:

1.Resistor:     Equation 6 (Équation 2)

2.Capacitors: Equation 7 (Équation 3)    

3.Inducteur:   Equation 8 (Équation 4)

Equation 9 Où est la fréquence du Equation 10  courant AC, est Equation 11  la capacité, est l'inductance, et Equation 12 est l'unité imaginaire. De ces équations, vous pouvez voir que l'impédance en tant que résistance est indépendante de la fréquence, inversement liée à la fréquence comme condensateur, et la fréquence directement liée comme un inducteur.

Une parcelle nyquiste est générée à partir de la réponse de fréquence à l'impédance électrique en traçant le composant imaginaire sur l'axe y et le composant réel sur l'axe x. L'instrument applique une tension de champ alternée à l'échantillon et mesure la réponse actuelle. Les composantes réelles et imaginaires de l'impédance sont calculées en déterminant le décalage de phase et le changement d'amplitude à différentes fréquences. Un exemple de cela est montré dans la figure 1. Cette parcelle est ensuite utilisée pour construire un modèle de circuit qui représente le mieux l'impédance de l'échantillon.

Figure 1
Figure 1 : Représentation du décalage de phase entre la tension appliquée et le courant mesuré.

L'une des intrigues nyquistes les plus simples est celle d'un demi-cercle que l'on peut voir à la figure 2. L'intrigue de la figure 2 est représentée par une résistance en série suivie d'une résistance et d'un condensateur en parallèle - c'est ce qu'on appelle la modélisation de circuits équivalente. Différents processus physiques correspondent à des éléments du modèle de circuit; par exemple, une double couche électrique correspond à un condensateur. Dans la figure 2, une parcelle de Nyquist est montrée qui est mieux modelée par une cellule Randle. C'est un point de départ commun pour l'interprétation d'une parcelle de terrain nyquiste. Une fois l'intrigue Nyquist terminée, le logiciel vous présentera des modèles de circuits équivalents que vous pouvez choisir pour modéliser vos données. Si l'intrigue Nyquist n'a pas un bon ajustement à partir des ajustements générés par ordinateur, vous pouvez construire votre propre circuit pour s'adapter aux données. Cependant, cela peut être une tâche compliquée. Il est important de commencer simple et de construire à partir de là. Il est également important de rester réaliste en fonction de ce que vous savez sur l'échantillon que vous testez, pour s'assurer que vous ne construisez pas un modèle irréaliste. Pour commencer, si le premier point est sur l'axe réel, il est généralement modélisé comme une résistance. Comme vous vous déplacez le long de la courbe, vous pouvez ajouter ou supprimer des éléments de circuit pour générer un meilleur ajustement.

Figure 2
Figure 2 : Image d'une parcelle de terrain nyquiste simple et de son modèle équivalent de cellules Randle.

Le concept que nous prévoyons de modéliser dans cette expérience est de savoir comment tester des échantillons avec EIS et utiliser la parcelle Nyquist pour construire un circuit modèle qui pourrait représenter les données d'impédance observées. Pour la première partie de l'expérience, nous allons démontrer comment exécuter un échantillon de contrôle qui produit un modèle de circuit connu que le logiciel peut facilement reconnaître. Pour la deuxième partie, nous pouvons démontrer comment tester un échantillon expérimental et à nouveau utiliser le logiciel pour générer un circuit modèle les meilleurs modèles de l'impédance électrique de l'échantillon.

Procedure

  1. Obtenir un module d'essai et le brancher aux instruments EIS via deux électrodes. Le module de test, illustré dans la figure 3, fournit des données qui peuvent être utilisées pour modéliser un circuit simple et connu. Il peut être utilisé pour confirmer que les fils sont reliés à la machine correctement et que toutes les pièces de la machine fonctionnent.

Figure 3
Figure 3: Module d'essai.

  1. Pour commencer à circuler le courant à travers l'échantillon, ouvrez le logiciel Zplot sur l'ordinateur. À partir de ce logiciel, vous pouvez configurer les paramètres de votre échantillon au besoin. Lors de l'exécution d'un test sur le module de test, sous "Polarisation", définir le potentiel DC à 0, AC Amplitude à 10 mV, et assurez-vous que la flèche déroulante dit, "vs. Open Circuit". Sous la section « Balayage de fréquence », fixez la fréquence initiale à 1x10-6 Hz, la fréquence finale à 100 Hz, et l'intervalle à 10. Sélectionnez également "logarithmique" et "Steps/Decade". Ensuite, appuyez sur "ok" pour commencer une nouvelle lecture.
  2. Ouvrez le logiciel Zview pour afficher les résultats. Sélectionnez z' et z'' pour tracer. Les résultats seront affichés sur l'axe négatif- pour les montrer sur l'axe positif, multiplier par -1. Cliquez sur "mesurer" puis "balayer" pour obtenir les valeurs z' et z' ' mesurées. Comparez ces valeurs mesurées aux valeurs attendues trouvées sur le devant du module de test, comme on le voit dans la figure 2. Si les valeurs correspondent, continuez à l'étape 4. Si ce n'est pas le cas, vérifiez tout le câblage et l'équipement pour voir si tout est connecté et fonctionne correctement.
  3. Détachez les électrodes du module d'essai.
  4. Préparer l'échantillon; pour la démonstration, nous utiliserons une alumine bêta disponible dans le commerce en la mettant dans l'assemblage indiqué dans la figure 4. Insérez cet assemblage dans le four à tubes, qui est situé dans la fumée du capot. Cette configuration est nécessaire car les tests EIS sont généralement exécutés par amplitude (ou tension) variable sur une certaine période. Pour la simplification, nous allons exécuter cette expérience à température ambiante seulement.

Figure 4
Figure 4: Assemblage dans lequel l'échantillon sera inséré.

  1. Fixez les électrodes à l'assemblage comme indiqué dans la figure 5.

Figure 5
Figure 5: Assemblage d'échantillons,dans la fumée du capot, avec des électrodes attachées.

  1. Ouvrez le logiciel Zplot et définiz les paramètres. Pour cette expérience, les paramètres seront les mêmes qu'à l'étape 2.
  2. Obtenir les parcelles en utilisant la même procédure que l'étape 3 (sauf les valeurs z' et z'' n'ont pas besoin d'être comparées au module de test). Sauvez les parcelles.
  3. Cliquez sur le bouton " ajustement instantané " et choisissez deux points pour s'adapter au demi-cercle. Utilisez le logiciel pour choisir le meilleur modèle de circuit équivalent.

Électrochimique spectroscopie d'impédance est une technique puissante utilisée pour caractériser les matériaux basé sur la façon dont ils entravent le flux d'électricité dans des applications aussi diverses que la microbiologie résistance à la corrosion. La conductivité électrique d'un échantillon est basé sur le maquillage de tous les composants de l'échantillon. Pour cette raison, EIS peut également être utilisé pour détecter les changements dans le quantité ou structure de chaque composant. L'EIE est réalisée en appliquant une petite charge électrique sinusoïdale à travers des électrodes reliées à un échantillon à un large éventail de fréquences. Sur la base de la réponse mesurée, l'impédance est calculée à chacune des fréquences. Le logiciel informatique est alors utilisé pour tracer les résultats et construire un modèle de circuit équivalent qui est représentatif des données observées. L'objectif typique de l'utilisation de l'EIE décompose l'échantillon impédance électrique totale dans les contributions de mécanismes tels que la résistance, la capacité, ou l'induction. Cette vidéo illustrera les principes et les procédures impliqués dans l'EIE pour déterminer l'impédance d'un matériau. Il démontrera également comment créer modèles de circuits équivalents de l'échantillon.

La résistance électrique est la capacité d'un élément de circuit pour résister à l'écoulement de l'électricité. Et la loi d'Ohm définit la résistance tension divisée par le courant. Toutefois, lorsqu'il s'agit de courants AC, l'impédance électrique est une plus précise et la mesure générale de la capacité pour résister à l'écoulement de l'électricité. C'est parce que, en plus de la résistance du matériau, il explique le contribution des mécanismes, comme la capacité et l'induction. Si un signal AC appliqué est sinusoïdal et la réponse est linéaire, le courant produit sera également sinusoïdal, mais décalé en phase. Pour tenir compte de la fréquence et changement de phase nous pouvons construire des équations d'impédance pour les composants d'un circuit en utilisant euler's Relationship et des nombres complexes. Ces modèles sont utilisés pour interpréter les données montrant l'impédance d'être indépendamment de la fréquence pour les résistances, inversement liés à fréquence pour les condensateurs, et directement liés à fréquence des inducteurs. Pendant les tests EIS, l'instrument s'applique une tension de champ alternée à un échantillon et mesure la réponse actuelle. Le réel et l'imaginaire composants de l'impédance sont calculés par déterminer le changement de phase et le changement dans l'amplitude à des fréquences différentes. Une parcelle de terrain nyquiste est générée en traçant l'imaginaire composant sur l'axe Y et le composant réel sur l'axe X. L'un des plus simples Nyquist parcelles est un demi-cercle. L'intrigue est ensuite utilisée pour construire un modèle de circuit qui représente le mieux le l'empédance de l'échantillon. Pendant 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 cette parcelle est représenté par une résistance en série avec une résistance et un condensateur en parallèle. Il s'agit d'un point de départ commun pour l'interprétation d'une intrigue nyquiste. Le logiciel vous présentera avec des modèles de circuits équivalents basé sur votre intrigue Nyquist pour 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 témoin et un échantillon expérimental avec EIS puis construire un circuit équivalent pour représenter les données d'impédance observées.

Rassemblez des instruments EIS et un module de test. Accrochez le module de test aux instruments de l'EIS via deux électrodes pour modéliser un circuit simple et connu. Ouvrez le logiciel ZPlot sur l'ordinateur pour définir les paramètres du module de test. Définir le potentiel DC à zéro, Amplitude AC à 10 millivolts, et la flèche de chute vers le bas contre circuit ouvert. Définir la fréquence initiale à une fois 10 pour alimenter six hertz, fréquence finale à 100 hertz, et l'intervalle à 10. Sélectionnez logarithmique et étapes par décennie. Mesurer, puis balayer, pour commencer un nouvel enregistrement, et commencer à recueillir des données. Comparer les valeurs mesurées aux valeurs attendues sur le devant du module d'essai. Si les valeurs ne correspondent pas, vérifier le câblage et l'équipement, et retest. Obtenir l'échantillon d'alumine bêta et le mettre dans l'assemblée. Travaillant dans le capot de fumée, insérer l'assemblage dans le four à tubes et attacher les électrodes. Ouvrez le logiciel ZPlot garder les mêmes paramètres utilisé pour le module de test et la mesure de presse, puis balayer. Ouvrez le logiciel ZView pour voir les résultats comme vous l'avez fait pour le module de test. Sauvez les parcelles. Choisissez deux points pour s'adapter au demi-cercle. Appuyez ensuite sur le bouton d'ajustement instantané de choisir le meilleur modèle de circuit équivalent. Pour la simplification, nous avons mené cette expérience à température ambiante. Les tests EIS sont généralement exécutés par amplitude ou tension variables ainsi que la température.

Jetons maintenant un coup d'oeil à nos résultats. Les résultats de l'EIE sont présenté dans une parcelle de terrain Nyquist montrant l'impédance réelle contre l'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 qui reflète encore fidèlement les données. Ensuite, choisissez un circuit équivalent, et en utilisant les données qui en résultent, calculons le conductivité de l'échantillon. Les données peuvent également être installées sur une ligne linéaire l'équation pour la conductivité. Utilisation des valeurs trouvées grâce à des tests répétés pour cet échantillon, une conductivité de 1,67 millisiemens par centimètre est calculée, par rapport à la valeur de conductivité déclarée d'environ 4,1 millisiemens par centimètre. Cela indique que le modèle que nous avons choisi était un bon, mais pas parfait ajustement.

Maintenant que vous appréciez les méthodes de la mesure et de la modélisation de l'impédance utilisation électrochimique spectroscopie d'impédance, nous allons jeter un oeil à certains des les applications de cet outil. L'EIE peut être utilisé pour micro-organismes dans un échantillon. Quand les bactéries se développent sur un échantillon il peut changer l'électricité conductivité de l'échantillon. Pour cette raison, l'EIE peut être utilisé pour mesurer l'impédance pour déterminer la croissance démographique. Cette technique est connue comme microbiologie de l'impédance. L'EIE est également utilisé dans la peinture et la corrosion les industries de prévention. Matériaux qui montrent un résistance électrique de moins de 10 à la puissance six Ohms par centimètre carré ne peut pas protéger contre le processus chimiques électriques que les surfaces d'attaque tous les jours. Les tests EIS propriétés de résistance à la corrosion des matériaux à utiliser dans des environnements difficiles, économiser des milliards de dollars dans les réparations chaque année aux États-Unis seulement.

Vous venez de regarder l'introduction de JoVE à la spectroscopie électrochimique d'impédance. Vous devez maintenant comprendre comment tester et modéliser le caractéristiques d'impédance de matériaux. Merci d'avoir regardé.

Results

Les résultats de l'EIE sont souvent présentés dans une parcelle nyquiste, qui montre une réelle impédance par rapport à l'impédance complexe à chaque fréquence testée. L'intrigue de l'expérience a été présentée dans la figure 6.

Figure 6
Figure 6: Capture d'écran de l'ordinateur après l'obtention de l'intrigue de Nyquist. 

Comme on le voit à l'étape 9 de la procédure, le logiciel vous donnera des options de circuits pour modéliser vos données. Il est préférable de choisir le modèle le plus simple qui reflète encore fidèlement les données. Choisir le circuit correct pour modéliser les données est un problème difficile et inverse. Bien qu'il existe des progiciels qui peuvent aider à générer des circuits de modèles, il faut prendre soin de ces analyses.

Lorsqu'un circuit équivalent est choisi, les données obtenues peuvent être utilisées pour calculer la conductivité de l'échantillon. Une façon de calculer la conductivité est de tracer les données de l'EIE à l'aide d'un modèle Arrhenius, qui trace 1000/T sur l'axe x et le journal (T) sur l'axe y. Les données peuvent être montées sur une ligne linéaire en utilisant l'équation suivante :

Equation 13    (Équation 5)

Alors Equation 14 que pour notre échantillon était 374 S/cm-K et Ea, l'énergie d'activation, était de 0,17 eV, et T 298 K. Brancher ces valeurs, nous avons calculé une conductivité de 1,67 x 10-3 S/cm. Des expériences antérieures avec cet échantillon ont indiqué que sa conductivité était d'environ 4,1 x 10-3 S/cm. C'est assez similaire à la valeur de conductivité que nous avons calculée, ce qui indique que le modèle que nous avons choisi était un bon, mais pas parfait, ajustement.

Applications and Summary

La spectroscopie électrochimique d'impédance est un outil utile pour déterminer comment un nouveau matériau ou dispositif empêche le flux d'électricité. Pour ce faire, il applique un signal AC à travers les électrodes reliées à l'échantillon. Les données sont collectées et tracées par l'ordinateur dans la plaine complexe. Avec l'aide d'un logiciel, le graphique peut être modélisé sur des parties spécifiques d'un circuit. Ces données peuvent souvent être très compliquées et nécessitent une analyse minutieuse. Cette technique, aussi complexe soit-elle, est un moyen non destructif extrêmement utile d'interroger les complexités réelles de l'impédance électrique, et peut fournir des modèles utiles de la façon dont le courant AC se comporte lorsqu'il est appliqué sur l'échantillon.

L'EIE peut être utilisé pour examiner les micro-organismes dans un échantillon. Lorsque les bactéries se développent sur un échantillon, cela peut modifier la conductivité électrique de l'échantillon. En utilisant cette idée, vous pouvez mesurer l'impédance d'un échantillon à une fréquence pour déterminer la population de micro-organismes. Cette technique est connue sous le nom de microbiologie de l'impédance.

EIS peut également être utilisé pour dépister le cancer dans les tissus, connu sous le nom d'impédance électrique de tissu. L'impédance électrique du tissu corporel est déterminée par sa structure. Comme il se dégrade au fil du temps, c'est l'impédance du courant électrique change également. Tout comme la microbiologie de l'impédance, ce type de test d'impédance examine la population de cellules et peut fournir des informations utiles sur la santé cellulaire et la morphologie.

L'EIE est également utilisé dans les industries de la peinture et de la prévention de la corrosion pour déterminer dans quelle mesure une couche est appliquée à la surface d'un matériau. Les données EIS correspondent bien aux processus électrochimiques quotidiens qui attaquent les surfaces ; matériaux qui présentent une résistance Equation 15 électrique de moins que ne peut pas protéger contre la corrosion ainsi que les matériaux avec une résistance plus élevée. L'EIE est un moyen de prédire comment les nouveaux traitements de surface seront équitables dans des environnements difficiles sans avoir à les recréer, ce qui en fait un outil inestimable dans la prévention de la corrosion qui, autrement, coûterait aux États-Unis des milliards de dollars en réparations chaque année.

  1. Obtenir un module d'essai et le brancher aux instruments EIS via deux électrodes. Le module de test, illustré dans la figure 3, fournit des données qui peuvent être utilisées pour modéliser un circuit simple et connu. Il peut être utilisé pour confirmer que les fils sont reliés à la machine correctement et que toutes les pièces de la machine fonctionnent.

Figure 3
Figure 3: Module d'essai.

  1. Pour commencer à circuler le courant à travers l'échantillon, ouvrez le logiciel Zplot sur l'ordinateur. À partir de ce logiciel, vous pouvez configurer les paramètres de votre échantillon au besoin. Lors de l'exécution d'un test sur le module de test, sous "Polarisation", définir le potentiel DC à 0, AC Amplitude à 10 mV, et assurez-vous que la flèche déroulante dit, "vs. Open Circuit". Sous la section « Balayage de fréquence », fixez la fréquence initiale à 1x10-6 Hz, la fréquence finale à 100 Hz, et l'intervalle à 10. Sélectionnez également "logarithmique" et "Steps/Decade". Ensuite, appuyez sur "ok" pour commencer une nouvelle lecture.
  2. Ouvrez le logiciel Zview pour afficher les résultats. Sélectionnez z' et z'' pour tracer. Les résultats seront affichés sur l'axe négatif- pour les montrer sur l'axe positif, multiplier par -1. Cliquez sur "mesurer" puis "balayer" pour obtenir les valeurs z' et z' ' mesurées. Comparez ces valeurs mesurées aux valeurs attendues trouvées sur le devant du module de test, comme on le voit dans la figure 2. Si les valeurs correspondent, continuez à l'étape 4. Si ce n'est pas le cas, vérifiez tout le câblage et l'équipement pour voir si tout est connecté et fonctionne correctement.
  3. Détachez les électrodes du module d'essai.
  4. Préparer l'échantillon; pour la démonstration, nous utiliserons une alumine bêta disponible dans le commerce en la mettant dans l'assemblage indiqué dans la figure 4. Insérez cet assemblage dans le four à tubes, qui est situé dans la fumée du capot. Cette configuration est nécessaire car les tests EIS sont généralement exécutés par amplitude (ou tension) variable sur une certaine période. Pour la simplification, nous allons exécuter cette expérience à température ambiante seulement.

Figure 4
Figure 4: Assemblage dans lequel l'échantillon sera inséré.

  1. Fixez les électrodes à l'assemblage comme indiqué dans la figure 5.

Figure 5
Figure 5: Assemblage d'échantillons,dans la fumée du capot, avec des électrodes attachées.

  1. Ouvrez le logiciel Zplot et définiz les paramètres. Pour cette expérience, les paramètres seront les mêmes qu'à l'étape 2.
  2. Obtenir les parcelles en utilisant la même procédure que l'étape 3 (sauf les valeurs z' et z'' n'ont pas besoin d'être comparées au module de test). Sauvez les parcelles.
  3. Cliquez sur le bouton " ajustement instantané " et choisissez deux points pour s'adapter au demi-cercle. Utilisez le logiciel pour choisir le meilleur modèle de circuit équivalent.

Électrochimique spectroscopie d'impédance est une technique puissante utilisée pour caractériser les matériaux basé sur la façon dont ils entravent le flux d'électricité dans des applications aussi diverses que la microbiologie résistance à la corrosion. La conductivité électrique d'un échantillon est basé sur le maquillage de tous les composants de l'échantillon. Pour cette raison, EIS peut également être utilisé pour détecter les changements dans le quantité ou structure de chaque composant. L'EIE est réalisée en appliquant une petite charge électrique sinusoïdale à travers des électrodes reliées à un échantillon à un large éventail de fréquences. Sur la base de la réponse mesurée, l'impédance est calculée à chacune des fréquences. Le logiciel informatique est alors utilisé pour tracer les résultats et construire un modèle de circuit équivalent qui est représentatif des données observées. L'objectif typique de l'utilisation de l'EIE décompose l'échantillon impédance électrique totale dans les contributions de mécanismes tels que la résistance, la capacité, ou l'induction. Cette vidéo illustrera les principes et les procédures impliqués dans l'EIE pour déterminer l'impédance d'un matériau. Il démontrera également comment créer modèles de circuits équivalents de l'échantillon.

La résistance électrique est la capacité d'un élément de circuit pour résister à l'écoulement de l'électricité. Et la loi d'Ohm définit la résistance tension divisée par le courant. Toutefois, lorsqu'il s'agit de courants AC, l'impédance électrique est une plus précise et la mesure générale de la capacité pour résister à l'écoulement de l'électricité. C'est parce que, en plus de la résistance du matériau, il explique le contribution des mécanismes, comme la capacité et l'induction. Si un signal AC appliqué est sinusoïdal et la réponse est linéaire, le courant produit sera également sinusoïdal, mais décalé en phase. Pour tenir compte de la fréquence et changement de phase nous pouvons construire des équations d'impédance pour les composants d'un circuit en utilisant euler's Relationship et des nombres complexes. Ces modèles sont utilisés pour interpréter les données montrant l'impédance d'être indépendamment de la fréquence pour les résistances, inversement liés à fréquence pour les condensateurs, et directement liés à fréquence des inducteurs. Pendant les tests EIS, l'instrument s'applique une tension de champ alternée à un échantillon et mesure la réponse actuelle. Le réel et l'imaginaire composants de l'impédance sont calculés par déterminer le changement de phase et le changement dans l'amplitude à des fréquences différentes. Une parcelle de terrain nyquiste est générée en traçant l'imaginaire composant sur l'axe Y et le composant réel sur l'axe X. L'un des plus simples Nyquist parcelles est un demi-cercle. L'intrigue est ensuite utilisée pour construire un modèle de circuit qui représente le mieux le l'empédance de l'échantillon. Pendant 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 cette parcelle est représenté par une résistance en série avec une résistance et un condensateur en parallèle. Il s'agit d'un point de départ commun pour l'interprétation d'une intrigue nyquiste. Le logiciel vous présentera avec des modèles de circuits équivalents basé sur votre intrigue Nyquist pour 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 témoin et un échantillon expérimental avec EIS puis construire un circuit équivalent pour représenter les données d'impédance observées.

Rassemblez des instruments EIS et un module de test. Accrochez le module de test aux instruments de l'EIS via deux électrodes pour modéliser un circuit simple et connu. Ouvrez le logiciel ZPlot sur l'ordinateur pour définir les paramètres du module de test. Définir le potentiel DC à zéro, Amplitude AC à 10 millivolts, et la flèche de chute vers le bas contre circuit ouvert. Définir la fréquence initiale à une fois 10 pour alimenter six hertz, fréquence finale à 100 hertz, et l'intervalle à 10. Sélectionnez logarithmique et étapes par décennie. Mesurer, puis balayer, pour commencer un nouvel enregistrement, et commencer à recueillir des données. Comparer les valeurs mesurées aux valeurs attendues sur le devant du module d'essai. Si les valeurs ne correspondent pas, vérifier le câblage et l'équipement, et retest. Obtenir l'échantillon d'alumine bêta et le mettre dans l'assemblée. Travaillant dans le capot de fumée, insérer l'assemblage dans le four à tubes et attacher les électrodes. Ouvrez le logiciel ZPlot garder les mêmes paramètres utilisé pour le module de test et la mesure de presse, puis balayer. Ouvrez le logiciel ZView pour voir les résultats comme vous l'avez fait pour le module de test. Sauvez les parcelles. Choisissez deux points pour s'adapter au demi-cercle. Appuyez ensuite sur le bouton d'ajustement instantané de choisir le meilleur modèle de circuit équivalent. Pour la simplification, nous avons mené cette expérience à température ambiante. Les tests EIS sont généralement exécutés par amplitude ou tension variables ainsi que la température.

Jetons maintenant un coup d'oeil à nos résultats. Les résultats de l'EIE sont présenté dans une parcelle de terrain Nyquist montrant l'impédance réelle contre l'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 qui reflète encore fidèlement les données. Ensuite, choisissez un circuit équivalent, et en utilisant les données qui en résultent, calculons le conductivité de l'échantillon. Les données peuvent également être installées sur une ligne linéaire l'équation pour la conductivité. Utilisation des valeurs trouvées grâce à des tests répétés pour cet échantillon, une conductivité de 1,67 millisiemens par centimètre est calculée, par rapport à la valeur de conductivité déclarée d'environ 4,1 millisiemens par centimètre. Cela indique que le modèle que nous avons choisi était un bon, mais pas parfait ajustement.

Maintenant que vous appréciez les méthodes de la mesure et de la modélisation de l'impédance utilisation électrochimique spectroscopie d'impédance, nous allons jeter un oeil à certains des les applications de cet outil. L'EIE peut être utilisé pour micro-organismes dans un échantillon. Quand les bactéries se développent sur un échantillon il peut changer l'électricité conductivité de l'échantillon. Pour cette raison, l'EIE peut être utilisé pour mesurer l'impédance pour déterminer la croissance démographique. Cette technique est connue comme microbiologie de l'impédance. L'EIE est également utilisé dans la peinture et la corrosion les industries de prévention. Matériaux qui montrent un résistance électrique de moins de 10 à la puissance six Ohms par centimètre carré ne peut pas protéger contre le processus chimiques électriques que les surfaces d'attaque tous les jours. Les tests EIS propriétés de résistance à la corrosion des matériaux à utiliser dans des environnements difficiles, économiser des milliards de dollars dans les réparations chaque année aux États-Unis seulement.

Vous venez de regarder l'introduction de JoVE à la spectroscopie électrochimique d'impédance. Vous devez maintenant comprendre comment tester et modéliser le caractéristiques d'impédance de matériaux. Merci d'avoir regardé.

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

RECOMMEND JoVE