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交流阻抗

更新時(shí)間:2024-08-20

簡要描述:

交流阻抗譜(EIS)是一種強(qiáng)大的工具,可以在很寬的頻率范圍內(nèi)得到測(cè)試樣品的阻抗特性譜。這是通過在樣品上施加具有特定頻率范圍的正弦 AC 電壓激勵(lì)信號(hào)并測(cè)量產(chǎn)生的電流響應(yīng)來完成。該響應(yīng)電流也是正弦信號(hào),但由于響應(yīng)時(shí)間延遲,其相位和施加的電壓相位有差別

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交流阻抗EIS)是一種強(qiáng)大的工具,可以在很寬的頻率范圍內(nèi)得到測(cè)試樣品的阻抗特性譜。這是通過在樣品上施加具有特定頻率范圍的正弦 AC 電壓激勵(lì)信號(hào)并測(cè)量產(chǎn)生的電流響應(yīng)來完成。該響應(yīng)電流也是正弦信號(hào),但由于響應(yīng)時(shí)間延遲,其相位和施加的電壓相位有差別(圖 1)。


根據(jù)交流電壓的幅度,電流幅度和相位角,可以計(jì)算出阻抗,導(dǎo)納,電容,介電常數(shù)等參數(shù)以及他們的實(shí)部和虛部,從而得到在不同頻率下的各種曲線圖形。

交流阻抗可以理解為一個(gè)復(fù)函數(shù),具有實(shí)部和虛部。對(duì)于純電阻,相應(yīng)的阻抗是實(shí)數(shù)(虛部以及相角為零)。對(duì)于純電容或純電感,阻抗的實(shí)部(Z')為零,相角為‐90° 90°。通常,諸如質(zhì)量傳遞,電極和電解質(zhì)之間的電荷轉(zhuǎn)移等過程的阻抗具有和頻率相關(guān)的實(shí)部和虛部,并且可以通過它們的來判斷化學(xué)過程的行為。

EIS 交流阻抗譜測(cè)試

由于施加的電壓信號(hào)的幅度很小,使得交流阻抗測(cè)試對(duì)研究的系統(tǒng)沒有破壞性,并且交流阻抗還可以進(jìn)行原位測(cè)試并獲得豐富的息,所以 EIS 方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于儲(chǔ)能元件,金屬腐蝕,電極表面的吸附與解析,電化學(xué)合成,催化劑動(dòng)態(tài),傳感器等領(lǐng)域。

對(duì)一個(gè)測(cè)試體系施加一個(gè)固定頻率的小幅正弦電壓激勵(lì)信號(hào)(例如 10mV),測(cè)量未知體系的電流響應(yīng)值,從而計(jì)算出在該頻率下的阻抗值。改變不同的頻率,就會(huì)得到一系列的數(shù)據(jù)點(diǎn)集,從而得到交流阻抗譜圖。圖 2 表示了 EIS 的測(cè)試過程。EIS 譜圖包含了豐富的關(guān)于測(cè)試體系的信息。


進(jìn)行 EIS 測(cè)試時(shí),嚴(yán)格來講,需要滿足以下三個(gè)條件,這樣才能保證交流阻抗的結(jié)果的可靠性。

1.因果關(guān)系:當(dāng)用一個(gè)正弦波的電壓信號(hào)對(duì)測(cè)試體系進(jìn)行擾動(dòng)時(shí),測(cè)試體系只對(duì)施加的擾動(dòng)信號(hào)有響應(yīng)。

2. 線性條件:施加擾動(dòng)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)在一個(gè)線性范圍內(nèi),這就要求擾動(dòng)信號(hào)足夠小時(shí),才能保證線性響應(yīng)。

通常電壓擾動(dòng)振幅為 10mV 左右. 3.穩(wěn)定性:體系不隨時(shí)間,溫度等發(fā)生變化。當(dāng)對(duì)體系的擾動(dòng)停止后,體系可以回到原來的狀態(tài)。

交流阻抗譜圖形表達(dá)

交流阻抗數(shù)據(jù)就是在不同頻率下獲得的阻抗模值和相位的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)。常用的交流阻抗表達(dá)方式為 Nyquist 圖和 Bode 圖兩種(圖 3),Nyquist 圖表達(dá)的是阻抗的實(shí)部和虛部,Bode 圖表達(dá)的是在不同頻率時(shí)的阻抗模值幅度和相位。



Nyquist 圖和 Bode 圖是關(guān)聯(lián)在一起的,Nyquist 圖的實(shí)部和虛部可以從 Bode 的模值|z|和相位角φ計(jì)算獲得:


當(dāng)然也可以用其他方式來表達(dá)交流阻抗譜。例如可以把實(shí)部和虛部對(duì)頻率作圖(圖 5)。




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