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        交流阻抗

        更新時間:2021-02-09

        簡要描述:

        交流阻抗譜(EIS)是一種強大的工具,可以在很寬的頻率范圍內得到測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 電壓激勵信號并測量產生的電流響應來完成。該響應電流也是正弦信號,但由于響應時間延遲,其相位和施加的電壓相位有差別

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         交流阻抗譜(EIS)是一種強大的工具,可以在很寬的頻率范圍內得到測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 電壓激勵信號并測量產生的電流響應來完成。該響應電流也是正弦信號,但由于響應時間延遲,其相位和施加的電壓相位有差別(圖 1)。

         

        根據交流電壓的幅度,電流幅度和相位角,可以計算出阻抗,導納,電容,介電常數等參數以及他們的實部和虛部,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復函數,具有實部和虛部。對于純電阻,相應的阻抗是實數(虛部以及相角為零)。對于純電容或純電感,阻抗的實部(Z')為零,相角為‐90° 90°。通常,諸如質量傳遞,電極和電解質之間的電荷轉移等過程的阻抗具有和頻率相關的實部和虛部,并且可以通過它們的來判斷化學過程的行為。

        EIS 交流阻抗譜測試

        由于施加的電壓信號的幅度很小,使得交流阻抗測試對研究的系統沒有破壞性,并且交流阻抗還可以進行原位測試并獲得豐富的息,所以 EIS 方法已經廣泛的應用于儲能元件,金屬腐蝕,電極表面的吸附與解析,電化學合成,催化劑動態,傳感器等領域。

        對一個測試體系施加一個固定頻率的小幅正弦電壓激勵信號(例如 10mV),測量未知體系的電流響應值,從而計算出在該頻率下的阻抗值。改變不同的頻率,就會得到一系列的數據點集,從而得到交流阻抗譜圖。圖 2 表示了 EIS 的測試過程。EIS 譜圖包含了豐富的關于測試體系的信息。


        進行 EIS 測試時,嚴格來講,需要滿足以下三個條件,這樣才能保證交流阻抗的結果的可靠性。

        1.因果關系:當用一個正弦波的電壓信號對測試體系進行擾動時,測試體系只對施加的擾動信號有響應。

        2. 線性條件:施加擾動信號和響應信號在一個線性范圍內,這就要求擾動信號足夠小時,才能保證線性響應。

        通常電壓擾動振幅為 10mV 左右. 3.穩定性:體系不隨時間,溫度等發生變化。當對體系的擾動停止后,體系可以回到原來的狀態。

        交流阻抗譜圖形表達

        交流阻抗數據就是在不同頻率下獲得的阻抗模值和相位的一系列數據點。常用的交流阻抗表達方式為 Nyquist 圖和 Bode 圖兩種(圖 3),Nyquist 圖表達的是阻抗的實部和虛部,Bode 圖表達的是在不同頻率時的阻抗模值幅度和相位。



        Nyquist 圖和 Bode 圖是關聯在一起的,Nyquist 圖的實部和虛部可以從 Bode 的模值|z|和相位角φ計算獲得:


        當然也可以用其他方式來表達交流阻抗譜。例如可以把實部和虛部對頻率作圖(圖 5)。
         

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