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Espectroscopia de Impedância Eletroquímica
 
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Espectroscopia de Impedância Eletroquímica

Overview

Fonte: Kara Ingraham, Jared McCutchen, e Taylor D. Sparks, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Utah, Salt Lake City, UT

Resistência elétrica é a capacidade de um elemento de circuito elétrico resistir ao fluxo de eletricidade. A resistência é definida pela Lei de Ohm:

Equation 1(Equação 1)

Onde Equation 2 está a tensão e é a Equation 3 corrente. A lei de Ohm é útil para determinar a resistência dos resistores ideais. No entanto, muitos elementos de circuito são mais complexos e não podem ser descritos apenas pela resistência. Por exemplo, se uma corrente alternada (AC) for usada, então a resistividade dependerá muitas vezes da frequência do sinal CA. Em vez de usar apenas a resistência, a impedância elétrica é uma medida mais precisa e generalizada da capacidade de um elemento de circuito de resistir ao fluxo de eletricidade.

Mais comumente, o objetivo das medidas de impedância elétrica é a desconvolução da impedância elétrica total de uma amostra em contribuições de diferentes mecanismos, como resistência, capacitância ou indução.

Principles

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Durante a Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) uma tensão CA é aplicada a uma amostra em diferentes frequências e a corrente elétrica é medida. Ao lidar com a impedância das correntes ac Equation 4 () substitui a resistência ( Equation 5 ) na lei de Ohm. Se o sinal CA original for sinusoidal, então uma resposta linear significa que a corrente produzida também será sinusoidal, mas deslocada em fase. A contabilização da frequência e mudança de fase da tensão e da corrente é mais facilmente realizada utilizando a relação de Euler e números complexos onde temos um componente real e imaginário para Equation 4 . A partir disso podemos construir equações para impedância para diferentes componentes de um circuito:

1.Resistor:     Equation 6 (Equação 2)

2.Capacitores: Equation 7 (Equação 3)    

3.Indutor:   Equation 8 (Equação 4)

Onde Equation 9 está a frequência da corrente CA, Equation 10   é a capacitância, é a Equation 11   indutância, e é a unidade Equation 12 imaginária. A partir dessas equações você pode ver que a impedância como resistor é independente da frequência, inversamente relacionada à frequência como capacitor, e frequência diretamente relacionada como um indutor.

Uma trama de Nyquist é gerada a partir da resposta de frequência à impedância elétrica, plotando o componente imaginário no eixo y e o componente real no eixo x. O instrumento aplica uma tensão de campo alternada à amostra e mede a resposta atual. Os componentes reais e imaginários da impedância são calculados determinando a mudança de fase e a mudança na amplitude em diferentes frequências. Um exemplo disso é mostrado na Figura 1. Este enredo é então usado para construir um modelo de circuito que melhor representa a impedância da amostra.

Figure 1
Figura 1: Uma representação do turno de fase entre a tensão aplicada e a corrente medida.

Uma das parcelas mais simples de Nyquist é a de um semi-círculo que pode ser visto na Figura 2. O enredo na Figura 2 é representado por um resistor em série seguido por um resistor e capacitor em paralelo - isso é conhecido como modelagem de circuito equivalente. Diferentes processos físicos correspondem a elementos no modelo de circuito; por exemplo, uma camada dupla elétrica corresponde a um capacitor. Na Figura 2, uma trama de Nyquist é mostrada que é melhor modelada por uma célula Randle. Este é um lugar de partida comum para a interpretação de um enredo de Nyquist. Depois que o lote nyquist estiver completo, o software lhe apresentará modelos de circuito equivalentes que você pode escolher para modelar seus dados. Se o gráfico nyquist não tiver um bom ajuste a partir dos ajustes gerados pelo computador, você pode construir seu próprio circuito para se adequar aos dados. No entanto, esta pode ser uma tarefa complicada. É importante começar simples e construir a partir daí. Também é importante permanecer realista com base no que você sabe sobre a amostra que você está testando, para garantir que você não construa um modelo irreal. Para começar, se o primeiro ponto está no eixo real, é comumente modelado como um resistor. À medida que você se move ao longo da curva, você pode adicionar ou remover elementos do circuito para gerar um ajuste melhor.

Figure 2
Figura 2: Imagem de um simples Gráfico Nyquist e seu modelo de célula Randle equivalente.

O conceito que planejamos modelar neste experimento é como testar amostras com EIS e usar o enredo nyquist para construir um circuito de modelo que possa representar os dados de impedância observados. Para a primeira parte do experimento, demonstraremos como executar uma amostra de controle que produz um modelo de circuito conhecido que o software pode facilmente reconhecer. Para a segunda parte, podemos demonstrar como testar uma amostra experimental e novamente usar o software para gerar um circuito de modelos os melhores modelos da impedância elétrica da amostra.

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Procedure

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  1. Obtenha um módulo de teste e conecte-o aos instrumentos EIS através de dois eletrodos. O módulo de teste, retratado na Figura 3,fornece dados que podem ser usados para modelar um circuito simples e conhecido. Pode ser usado para confirmar que os fios estão ligados à máquina corretamente e que todas as peças de máquinas estão funcionando.

Figure 3
Figura 3: Módulo de teste.

  1. Para começar a fluir corrente através da amostra, abra o software Zplot no computador. A partir deste software você pode configurar os parâmetros para sua amostra conforme necessário. Ao executar um teste no módulo de teste, em "Polarização", defina o Potencial DC para 0, AC Amplitude para 10 mV e certifique-se de que a seta solta diz: "vs. Circuito Aberto". Sob a seção "Varredura de frequência", defina a frequência inicial para 1x10^6 Hz, a frequência final para 100 Hz, e intervalo para 10. Selecione também "logarítmico" e "Passos/Década". Em seguida, pressione "ok" para começar uma nova leitura.
  2. Abra o software Zview para visualizar os resultados. Selecione z' e z'' para plotar. Os resultados serão mostrados no eixo negativo para mostrá-los no eixo positivo, multiplicar-se por -1. Clique em "medir" e depois "varrer" para obter os valores medidos z' e z'' Compare esses valores medidos com os valores esperados encontrados na parte frontal do módulo de teste, conforme visto na Figura 2. Se os valores coincidirem, continue a etapa 4. Caso não, verifique toda a fiação e equipamento para ver se tudo está conectado e funcionando corretamente.
  3. Retire os eletrodos do módulo de teste.
  4. Prepare a amostra; para demonstração, usaremos uma alumina beta comercialmente disponível colocando-a na montagem mostrada na Figura 4. Insira este conjunto no forno do tubo, que está localizado na fumaça do capô. Esta configuração é necessária porque os testes EIS geralmente são executados por amplitude (ou tensão) variadas e temperatura ao longo de um determinado período de tempo. Para simplificação, vamos executar este experimento apenas em temperatura ambiente.

Figure 4
Figura 4: Montagem em que a amostra será inserida.

  1. Conecte os eletrodos ao conjunto conforme mostrado na Figura 5.

Figure 5
Figura 5: Conjunto amostral, na fumaça do capô, com eletrodos ligados.

  1. Abra o software Zplot e defina os parâmetros. Para este experimento, os parâmetros serão os mesmos que estavam na etapa 2.
  2. Obtenha as parcelas utilizando o mesmo procedimento da etapa 3 (exceto que os valores z' e z'' não precisam ser comparados ao módulo de teste). Guarde as tramas.
  3. Clique no botão "ajuste instantâneo" e escolha dois pontos para se encaixar no semi-círculo. Use o software para escolher o melhor modelo de circuito equivalente.

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 sinusoidal através de eletrodos conectados a uma amostra em uma ampla gama de frequências. Com base na resposta medida, impedância é computado em cada uma das frequências. Software de computador é então usado para traçar os resultados e construir um modelo de circuito equivalente que é representativo dos dados observados. O objetivo típico de usar o EIS está quebrando a amostra impedância elétrica total em contribuições de mecanismos como resistência, capacitância, ou indução. Este vídeo ilustrará os princípios e procedimentos envolvidos no EIS para determinar a impedância de um material. Ele também demonstrará como criar modelos de circuito equivalentes da amostra.

Resistência elétrica é o 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 um mais preciso e medida geral da capacidade para resistir ao fluxo de eletricidade. Isso é porque, além do resistência do material, ele conta para o contribuição de mecanismos, como capacitância e indução. Se um sinal CA aplicado for sinusoidal e a resposta é linear, a corrente produzida também será sinusoidal, mas mudou de fase. Para explicar 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 com frequência para capacitores, e diretamente relacionada com frequência para indutores. Durante o teste do EIS, o instrumento se aplica 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 frequências diferentes. Uma parcela de Nyquist é gerada plotando o imaginário componente no eixo Y e o componente real no eixo X. Um dos mais simples Nyquist enredos é um semi-círculo. O enredo é então usado para construir um modelo de circuito que melhor representa o impedância da amostra. Durante a modelagem, 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 enredo é representado por um resistor em série com um resistor e capacitor em paralelo. Este é um lugar de partida comum para a interpretação de um enredo nyquist. O software irá apresentá-lo com modelos de circuito equivalentes com base em seu enredo Nyquist para você escolher. Se esses modelos não se encaixam em seus dados você pode manualmente modelar um circuito para encaixar os dados, uma tarefa complicada. Na próxima seção, vamos mostrar-lhe como testar uma amostra de controle e uma amostra experimental com EIS e, em seguida, construir um circuito equivalente para representar os dados de impedância observados.

Reúna instrumentos EIS e um módulo de teste. Enganchar o módulo de teste aos instrumentos EIS através de dois eletrodos para modelo um circuito simples conhecido. Abra o software ZPlot no computador para definir os parâmetros para o módulo de teste. Definir o potencial dc para zero, Amplitude AC para 10 milivolts, e a seta de queda para baixo para versus circuito aberto. Defina a frequência inicial para um vezes 10 para alimentar seis hertz, frequência final para 100 hertz, e intervalo para 10. Selecione logarítmico e passos por década. Medir, em seguida, varrer, para iniciar uma nova gravação, e começar a coletar dados. Compare valores medidos com valores esperados encontrado na parte frontal do módulo de teste. Se os valores não correspondem, verificar fiação e equipamentos, e reteste. Obtenha a amostra de alumina beta e colocá-lo na assembleia. Trabalhando no capô da fumaça, inserir o conjunto no forno do tubo e anexar os eletrodos. Abra o software ZPlot mantendo os mesmos parâmetros usado para o módulo de teste e pressione medida, em seguida, varrer. Abra o software ZView para ver os resultados como você fez para o módulo de teste. Guarde as tramas. Escolha dois pontos para se encaixar no semi-círculo. Em seguida, pressione o botão de ajuste instantâneo para escolher o melhor modelo de circuito equivalente. Para simplificação, nós corremos este experimento em temperatura ambiente. Os testes EIS geralmente são executados por amplitude ou tensão variadas assim como a temperatura.

Vamos agora dar uma olhada em nossos resultados. Os resultados do EIS são apresentado em um enredo Nyquist mostrando impedância real contra 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 instalados em uma linha linear usando a equação para condutividade. Usando os valores encontrados através de testes repetidos para esta amostra, uma condutividade de 1,67 miliemens por centímetro é calculado, em comparação com o valor de condutividade relatado de aproximadamente 4,1 miliemens por centímetro. Isso indica que o modelo que escolhemos era um bom, embora não ajuste perfeito.

Agora que você aprecia os métodos de medição e modelagem impedância usando eletroquímico espectroscopia de impedância, vamos dar uma olhada em alguns dos as aplicações para esta ferramenta. EIS pode ser usado para olhar microrganismos em uma amostra. Quando as bactérias crescem em uma amostra ele pode mudar o elétrico condutividade da amostra. Por causa disso, o EIS pode ser usado para medir impedância para determinar o crescimento populacional. Esta técnica é conhecida como microbiologia de impedância. O EIS também é usado em a tinta e corrosão indústrias de prevenção. Materiais que mostram um resistência elétrica de menos de 10 para o poder seis Ohms por centímetro quadrado não pode proteger contra o processos químicos elétricos que atacam superfícies todos os dias. Teste do EIS prevê o propriedades de resistência à corrosão de materiais a serem usados em ambientes severos, economizando bilhões de dólares em reparos todos os anos só nos Estados Unidos.

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

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Results

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Os resultados do EIS são frequentemente apresentados em uma trama de Nyquist, que mostra impedância real versus impedância complexa em cada frequência testada. O enredo do experimento correu pode ser visto na Figura 6.

Figure 6
Figura 6: Captura de tela do computador após a ção de Nyquist ser obtida. 

Como visto na etapa 9 do procedimento, o software lhe dará opções de circuitos para modelar seus dados. É melhor escolher o modelo mais simples que ainda reflete com precisão os dados. Escolher o circuito correto para modelar os dados é um problema difícil e inverso. Embora existam pacotes de software que possam auxiliar na geração de circuitos de modelos, deve-se tomar cuidado durante esta análise.

Quando um circuito equivalente é escolhido, os dados resultantes podem ser usados para calcular a condutividade da amostra. Uma maneira de calcular condutividade é traçar os dados do EIS usando um modelo Arrhenius, que plota 1000/T no eixo x e log(σT) no eixo y. Os dados podem ser ajustados a uma linha linear usando a seguinte equação:

Equation 13    (Equação 5)

Onde Equation 14 para nossa amostra foram 374 S/cm*K e Ea, a energia de ativação, foi de 0,17 eV, e T = 298 K. Conectando esses valores, calculamos uma condutividade de 1,67 x 10-3 S/cm. Experimentos anteriores com esta amostra relataram que sua condutividade era de aproximadamente 4,1 x 10-3 S/cm. Isso é bastante semelhante ao valor de condutividade que calculamos, indicando que o modelo que escolhemos era um bom, embora não perfeito, adequado.

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Applications and Summary

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A Espectroscopia de Impedância Eletroquímica é uma ferramenta útil para determinar como um novo material ou dispositivo impede o fluxo de eletricidade. Ele faz isso aplicando um sinal CA através dos eletrodos conectados à amostra. Os dados são coletados e plotados pelo computador na planície complexa. Com a ajuda do software, o gráfico pode ser modelado após partes específicas de um circuito. Esses dados muitas vezes podem ser muito complicados e requer uma análise cuidadosa. Esta técnica, por mais complexa que seja, é um meio não destrutivo extremamente útil de interrogar as complexidades do mundo real da impedância elétrica, e pode fornecer modelos úteis de como a corrente CA se comporta quando aplicada à amostra.

O EIS pode ser usado para olhar microrganismos em uma amostra. Quando as bactérias crescem em uma amostra, ela pode alterar a condutividade elétrica da amostra. Usando essa ideia, você pode medir a impedância de uma amostra em uma frequência para determinar a população de microrganismos. Esta técnica é conhecida como microbiologia de impedância.

O EIS também pode ser usado para testar câncer em tecidos, conhecido como Impedância Elétrica tecidual. A impedância elétrica do tecido corporal é determinada por sua estrutura. À medida que se degrada com o tempo, sua impedância da corrente elétrica também muda. Assim como a microbiologia da impedância, esse tipo de teste de impedância olha para a população das células e pode fornecer informações úteis sobre saúde celular e morfologia.

O EIS também é usado nas indústrias de prevenção de tinta e corrosão para determinar o quão bem uma camada é aplicada à superfície de um material. Os dados do EIS correspondem bem aos processos eletroquímicos cotidianos que atacam superfícies; materiais que mostram uma resistência elétrica menor do que Equation 15 podem não proteger contra corrosão, bem como materiais com maior resistência. O EIS é um caminho para prever como novos tratamentos superficiais serão justos em ambientes severos sem ter que recriá-los, tornando-se uma ferramenta inestimável na prevenção da corrosão que, de outra forma, custaria aos Estados Unidos bilhões de dólares em reparos a cada ano.

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