ספקטרוסקופיית מכשולים אלקטרוכימית

במהלך ספקטרוסקופיית עחובה אלקטרוכימית (EIS) מתח AC מוחל על מדגם בתדרים שונים ואת הזרם החשמלי נמדד. כאשר מתמודדים עם עומת זרמי AC () מחליף התנגדות בחוק של Ohm. אם אות AC המקורי הוא סינוסואידי אז תגובה ליניארית פירושה שהזרם המיוצר יהיה גם סינוסואידי, אך השתנה בשלב. חשבונאות עבור התדירות ואת שינוי הפאזה של המתח והזרם מושגת בקלות רבה על ידי ניצול מערכת היחסים של אוילר ומספרים מרוכבים שבו יש לנו גם מרכיב אמיתי דמיוני . מכאן אנו יכולים לבנות משוואות לעמעם עבור רכיבים שונים של מעגל:

1.נגד:     (משוואה 2)

2.קבלים: (משוואה 3)    

3.משרן:   (משוואה 4)

איפה התדירות של זרם AC,   הוא הקיבוליות,   הוא ההשרה, והוא היחידה הדמיונית. ממשוואות אלה ניתן לראות שעישול כנגד אינו תלוי בתדירות, הקשור הפוך לתדירות כקבל, ותדירות הקשורה ישירות כמשרן.

עלילת Nyquist נוצרת מתגובת התדר לעכבה החשמלית על ידי התוויית הרכיב הדמיוני על ציר ה- y והרכיב האמיתי בציר ה- x. המכשיר מחיל מתח שדה לסירוגין על המדגם ומודד את התגובה הנוכחית. המרכיבים האמיתיים והדמיוניים של עכום מחושבים על ידי קביעת שינוי הפאזה ושינוי משרעת בתדרים שונים. דוגמה לכך מוצגת באיור 1. חלקה זו משמשת לבניית מודל מעגל המייצג בצורה הטובה ביותר את העכבה של המדגם.

איור 1: ייצוג של הסטת הפאזה בין המתח המוחל לזרם הנמדד.

אחת העלילות הפשוטות ביותר של נייקוויסט היא זו של חצי עיגול שניתן לראות באיור 2. העלילה באיור 2 מיוצגת על ידי נגד בסדרה ואחריה נגד וקבל במקביל - זה ידוע כדוגמנות מעגל שווה ערך. תהליכים פיזיים שונים תואמים אלמנטים במודל המעגל; לדוגמה, שכבה כפולה חשמלית תואמת לקבל. באיור 2 מוצגת עלילת Nyquist המעוצבת בצורה הטובה ביותר על-ידי תא רנדל. זהו מקום התחלה נפוץ לפרשנות של עלילת Nyquist. לאחר השלמת העלילה של Nyquist, התוכנה תציג בפניך דגמי מעגלים מקבילים שתוכלו לבחור שתוכלו לבחור שתוכלו לבחור כדי לדגמן את הנתונים שלכם. אם העלילה Nyquist אין התאמה טובה מן ההתקפים שנוצרו על ידי המחשב, אתה יכול לבנות מעגל משלך כדי להתאים את הנתונים. עם זאת, זו יכולה להיות משימה מסובכת. חשוב להתחיל פשוט ולבנות משם. חשוב גם להישאר מציאותיים בהתבסס על מה שאתה יודע על המדגם שאתה בודק, כדי להבטיח שלא תבנה מודל לא מציאותי. בתור התחלה, אם הנקודה הראשונה היא על הציר האמיתי, זה בדרך כלל מודל כמו נגד. בעת תנועה לאורך העקומה אתה יכול להוסיף או להסיר רכיבי מעגל כדי ליצור התאמה טובה יותר.

איור 2: תמונה של עלילת Nyquist פשוטה ומודל תא רנדל המקביל לה.

הרעיון שאנו מתכננים לדגמן בניסוי זה הוא כיצד לבדוק דגימות עם EIS ולהשתמש במזימה של Nyquist כדי לבנות מעגל מודל שעשוי לייצג את נתוני העכבה שנצפו. בחלק הראשון של הניסוי נדגים כיצד להפעיל דגימת בקרה המייצרת מודל מעגל ידוע שהתוכנה יכולה לזהות בקלות. בחלק השני, אנו יכולים להדגים כיצד לבדוק מדגם ניסיוני ושוב להשתמש בתוכנה כדי ליצור מעגל מודל הדגמים הטובים ביותר את העכבה החשמלית של המדגם.

תוצאות של EIS מוצגות לעתים קרובות בעלילת Nyquist, המציגה עקשנות אמיתית לעומת עקשנות מורכבת בכל תדר שנבדק. את עלילת הניסוי ניתן לראות באיור 6.

איור 6: צילום מסך של המחשב לאחר העלילה של Nyquist הושגה. 

כפי שניתן לראות בשלב 9 של ההליך, התוכנה תיתן לך אפשרויות של מעגלים לדגמן את הנתונים שלך. עדיף לבחור את המודל הפשוט ביותר שעדיין משקף במדויק את הנתונים. בחירת המעגל הנכון כדי לדגמן את הנתונים היא בעיה קשה, הפוכה. בעוד שקיימות חבילות תוכנה שיכולות לסייע ביצירת מעגלי מודל, יש לנקוט זהירות במהלך ניתוח זה.

כאשר נבחר מעגל שווה ערך, ניתן להשתמש בנתונים המתקבלים כדי לחשב את המוליכות של המדגם. דרך אחת לחשב מוליכות היא התוויית הנתונים מ- EIS באמצעות מודל ארניוס, המתווה 1000/T על ציר ה- x ויומן הרישום (σT) בציר ה- y. ניתן להתאים את הנתונים לקו ליניארי באמצעות המשוואה הבאה:

    (משוואה 5)

איפה המדגם שלנו היה 374 S / cm * K ו- E_a,אנרגיית ההפעלה, היה 0.17 eV, ו- T = 298 K. חיבור ערכים אלה, חישבנו מוליכות של 1.67 x 10^{- 3} S / ס"מ. ניסויים קודמים במדגם זה דיווחו המוליכות שלה להיות כ 4.1 x 10^-3 S/ס"מ. זה דומה למדי לערך המוליכות שחשבנו, מה שמצביע על כך שהמודל שבחרנו היה טוב, אם כי לא מושלם, בכושר.

ספקטרוסקופיית עחובה אלקטרוכימית היא כלי שימושי לקביעת האופן שבו חומר או מכשיר חדשים פוגעים בזרימת החשמל. הוא עושה זאת על ידי החלת אות AC דרך האלקטרודות המחוברות לדגימה. הנתונים נאספים ומתוכננים על ידי המחשב במישור המורכב. בעזרת תוכנה, ניתן לדגמן את הגרף לאחר חלקים מסוימים של מעגל. נתונים אלה יכולים לעתים קרובות להיות מסובכים מאוד ודורש ניתוח זהיר. טכניקה זו, מורכבת ככל שתהיה, היא אמצעי מאוד שימושי לא הרסני לחקור את המורכבויות בעולם האמיתי של עוול חשמלי, ויכולה לספק מודלים שימושיים של אופן הפעולה של זרם AC כאשר הם מוחלים על המדגם.

EIS יכול לשמש כדי להסתכל על מיקרואורגניזמים במדגם. כאשר חיידקים גדלים על מדגם, זה יכול לשנות את המוליכות החשמלית של המדגם. באמצעות רעיון זה, אתה יכול למדוד את העכבה של מדגם בתדר אחד כדי לקבוע את האוכלוסייה של מיקרואורגניזמים. טכניקה זו ידועה בשם מיקרוביולוגיה של מכשולים.

EIS יכול לשמש גם כדי לסנן סרטן ברקמות, המכונה רקמה חשמלית מכשול. העכבה החשמלית של רקמת הגוף נקבעת על ידי המבנה שלה. כפי שהוא מתפרק עם הזמן, זה מכשול של זרם חשמלי גם משתנה. בדומה למיקרוביולוגיה של עבים, סוג זה של בדיקת עבים בוחן את אוכלוסיית התאים ויכול לספק מידע שימושי על הית' תאים ומורפולוגיה.

EIS משמש גם בתעשיות למניעת צבע וקורוזיה כדי לקבוע עד כמה טוב שכבה מוחלת על פני השטח של חומר. נתוני EIS מתאימים היטב לתהליכים אלקטרוכימיים יומיומיים שתוקפים משטחים; חומרים המציגים עמידות חשמלית של פחות מ לא יכול להגן מפני קורוזיה, כמו גם חומרים עם התנגדות גבוהה יותר. EIS הוא דרך לחזות כיצד טיפולים חדשים על פני השטח יהיו הוגנים בסביבות קשות מבלי ליצור אותם מחדש, מה שהופך אותו לכלי רב ערך במניעת קורוזיה שאחרת יעלה לארצות הברית מיליארדי דולרים בתיקונים מדי שנה.