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Elektrochemische Impedanzspektroskopie

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Elektrochemische Impedanzspektroskopie ist eine leistungsstarke Technik, die zur Charakterisierung von Materialien basierend darauf, wie sie 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 um Änderungen in der Menge oder Struktur jeder Komponente. EIS wird durch Anwendung eine kleine sinusförmige elektrische Last über Elektroden, die mit einer Probe verbunden sind bei einem breiten Frequenzbereich. Basierend auf der gemessenen Reaktion Impedanz wird bei jede der Frequenzen. Computersoftware wird dann verwendet, um die Ergebnisse zu zeichnen und ein gleichwertiges Schaltungsmodell zu erstellen das repräsentativ ist der beobachteten Daten. Das typische Ziel der Verwendung von EIS zerlegt die Probe gesamte elektrische Impedanz in Beiträge von Mechanismen wie Widerstand, Kapazität oder Induktion. Dieses Video zeigt die Grundsätze und Verfahren an EIS beteiligt sind, um die Impedanz eines Materials. Es wird auch zeigen, wie gleichwertige Schaltungsmodelle der Probe.

Elektrischer Widerstand ist die Fähigkeit eines Schaltungselements um dem Stromfluss zu widerstehen. Und Ohms Gesetz definiert Widerstand als Spannung geteilt durch Strom. Beim Umgang mit WECHSELströmen elektrische Impedanz ist eine genauere und allgemeines Maß für die Fähigkeit um dem Stromfluss zu widerstehen. Dies liegt daran, zusätzlich zu den Widerstand des Materials, sie ist für die Beitrag von Mechanismen, wie Kapazität und Induktion. Wenn ein angewendetes AC-Signal sinusförmig ist und die Antwort ist linear, der erzeugte Strom wird auch sinusförmig sein, aber in der Phase verschoben. Um die Frequenz- und Phasenverschiebung wir können Impedanzgleichungen erstellen für Komponenten einer Schaltung Verwendung von Eulers Beziehung und komplexe Zahlen. Diese Modelle werden zur Interpretation von Daten zeigt, dass impedanzanung unabhängig von der Frequenz für Widerstände, umgekehrt verwandt mit Frequenz für Kondensatoren, und direkt mit Frequenz für Induktivitäten. Während der EIS-Tests wird das Gerät eine abwechselnde Feldspannung zu einer Probe und misst die aktuelle Reaktion. Das Reale und Imaginäre Komponenten der Impedanz werden berechnet durch Bestimmung der Phasenverschiebung und Änderung der Amplitude bei unterschiedlichen Frequenzen. Ein Nyquist-Plot wird erzeugt durch Plotten der imaginären Komponente auf der Y-Achse und die reale Komponente auf der X-Achse. Einer der einfachsten Nyquist Plots ist ein Halbkreis. Das Grundstück wird dann verwendet , um ein Schaltungsmodell zu erstellen die am besten die Impedanz der Probe. Während der Modellierung werden physikalische Prozesse den Elementen eines Schaltkreises entsprechen. Zum Beispiel eine elektrische Doppelschicht entspricht einem Kondensator. Das äquivalente Schaltungsmodell für dieses Diagramm wird durch einen Widerstand in Serie dargestellt mit einem Widerstand und Kondensator parallel. Dies ist ein gemeinsamer Ausgangspunkt für die Interpretation einer Nyquist-Plot. Die Software wird Sie mit gleichwertigen Schaltungsmodellen basierend auf Ihrem Nyquist-Plot für Sie zur Auswahl. Wenn diese Modelle nicht zu Ihren Daten passen Sie können manuell eine Schaltung, um die Daten zu passen, eine komplizierte Aufgabe. Im nächsten Abschnitt wir zeigen Ihnen, wie Sie Testen einer Kontrollprobe und eine Versuchsprobe mit EIS und dann eine gleichwertige Schaltung die beobachteten Impedanzdaten darzustellen.

Sammeln Sie EIS-Instrumente und ein Testmodul. Schließen Sie das Testmodul an zu den EIS-Instrumenten über zwei Elektroden zum Modellieren eine einfache bekannte Schaltung. Öffnen Sie die ZPlot-Software auf dem Computer , um die Parameter für das Testmodul festzulegen. Stellen Sie das DC-Potenzial auf Null, AC-Amplitude bis 10 Millivolt, und der Drop-Down-Pfeil im Vergleich zum offenen Kreislauf. Festlegen der Anfangsfrequenz auf 1 mal 10 bis Strom von sechs Hertz, Endfrequenz auf 100 Hertz, und Intervall auf 10. Wählen Sie Logarithmie und Schritte pro Jahrzehnt. Messen, dann fegen, um eine neue Aufnahme starten, und beginnen mit dem Sammeln von Daten. Vergleich der Messwerte mit den erwarteten Werten auf der Vorderseite des Testmoduls. Wenn die Werte nicht übereinstimmen, Prüfverdrahtung und Ausrüstung, und erneut testen. Erhalten Sie die Probe von Beta-Aluminiumoxid und legen Sie es in die Baugruppe. Arbeiten in der Dunstabzugshaube, Die Montage in den Rohrofen einlegen und befestigen Sie die Elektroden. Öffnen Sie die ZPlot-Software Die gleichen Parameter beibehalten für das Testmodul verwendet und drücken Sie Messen, dann fegen. Öffnen Sie die ZView-Software , um die Ergebnisse anzuzeigen wie sie es für das Testmodul getan haben. Speichern Sie die Parzellen. Wählen Sie zwei Punkte aus, um in den Halbkreis zu passen. Drücken Sie dann die Instant Fit-Taste um die besten auszuwählen gleichwertiges Schaltungsmodell. Zur Vereinfachung wir haben dieses Experiment durchgeführt bei Raumtemperatur. EIS-Tests werden in der Regel von unterschiedliche Amplitude oder Spannung sowie die Temperatur.

Werfen wir nun einen Blick auf unsere Ergebnisse. Die Ergebnisse des EIS sind präsentiert in einem Nyquist-Plot zeigt echte Impedanz im Vergleich zu komplexer Impedanz bei jeder getesteten Frequenz. Mehrere Optionen von Schaltungen um Ihre Daten zu modellieren, es ist am besten, das einfachste Modell zu wählen die die Daten immer noch genau wiedergibt. Wählen Sie als Nächstes eine gleichwertige Schaltung, und unter Verwendung der resultierenden Daten, lassen Sie uns die Leitfähigkeit der Probe. Daten können auch an eine lineare Linie angepasst werden verwendung der Gleichung für Leitfähigkeit. Verwenden der gefundenen Werte durch wiederholte Tests für diese Probe, eine Leitfähigkeit von 1,67 Millisiemens pro Zentimeter berechnet wird, im Vergleich zu den gemeldeter Leitfähigkeitswert von ca. 4,1 Millisiemens pro Zentimeter. Dies deutet darauf hin, dass die Modell, das wir gewählt haben, war ein gutes, wenn nicht perfekt gepasst.

Nun, da Sie die Methoden zu schätzen wissen der Mess- und Modellierungsimpedanz mit elektrochemischen Impedanzspektroskopie, Werfen wir einen Blick auf einige der 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 verwendet, um Impedanz zu messen Bevölkerungswachstum zu bestimmen. Diese Technik ist bekannt als Impedanzmikrobiologie. EIS wird auch in die Farbe und Korrosion Präventionsindustrien. Materialien, die eine elektrischer Widerstand von weniger als 10 auf die Leistung sechs Ohm pro Zentimeter Quadrat kann nicht vor der elektrische chemische Prozesse die Oberflächen jeden Tag angreifen. EIS-Tests sagen voraus, dass Korrosionsbeständigkeitseigenschaften der zu verwendenden Materialien in rauen Umgebungen, Milliarden von Dollar sparen jedes Jahr bei Reparaturen allein in den Vereinigten Staaten.

Sie haben gerade JoVeVes Einführung gesehen elektrochemische Impedanzspektroskopie. Sie sollten jetzt verstehen, wie man die Impedanzeigenschaften von Materialien. Danke fürs Zuschauen.

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