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交流阻抗（電化學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)方法）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

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交流阻抗

電化學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)方法

交流阻抗也叫做電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，簡(jiǎn)寫為EIS），早期的電化學(xué)文獻(xiàn)中稱為交流阻抗（AC Impedance）。阻抗測(cè)量原本是電學(xué)中研究線性電路網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)特性的一種方法，引用到研究電極過程，成了電化學(xué)研究中的一種實(shí)驗(yàn)方法。

基本信息

中文名	交流阻抗
外文名	Electrochemical Impedance Spectroscopy
別名	電化學(xué)阻抗譜
出處	物理學(xué)
有功功率	±25kW
阻抗	0 - 99.99Ω
引用標(biāo)準(zhǔn)	IEC688－1992

收起

基本原理

當(dāng)電極系統(tǒng)受到一個(gè)正弦波形電壓（電流）的交流訊號(hào)的擾動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流（電壓）響應(yīng)訊號(hào)，由這些訊號(hào)可以得到電極的阻抗或?qū)Ъ{。一系列頻率的正弦波訊號(hào)產(chǎn)生的阻抗頻譜，稱為電化學(xué)阻抗譜。

定義

交流阻抗表

對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的線性系統(tǒng)M，如以一個(gè)角頻率為w的正弦波電信號(hào)（電壓或電流）X為激勵(lì)信號(hào)（在電化學(xué)術(shù)語中亦稱作擾動(dòng)信號(hào)）輸入該系統(tǒng)，則相應(yīng)地從該系統(tǒng)輸出一個(gè)角頻率也是w的正弦波電信號(hào)（電流或電壓）Y，Y即是響應(yīng)信號(hào)。Y與X之間的關(guān)系可以用下式來表示：

如果擾動(dòng)信號(hào)X為正弦波電流信號(hào)，而Y為正弦波電壓信號(hào)，則稱G為系統(tǒng)M的阻抗（Impedance）。如果擾動(dòng)信號(hào)X為正弦波電壓信號(hào)，而Y為正弦波電流信號(hào)，則稱G為系統(tǒng)M的導(dǎo)納（Admittance）。

由阻抗（導(dǎo)納）的定義可知，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，當(dāng)響應(yīng)與擾動(dòng)之間存在唯一的因果性時(shí)，阻抗Z與導(dǎo)納Y都決定于系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，都反映該系統(tǒng)的頻響特性，故在Z與Y之間存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

G是一個(gè)隨頻率變化的矢量，用變量為頻率f或其角頻率w的復(fù)變函數(shù)表示。故G的一般表示式可以寫為：

公式

假設(shè)電路中各電量頻率統(tǒng)一為f，角頻率為w，則電阻的交流阻抗即為其電阻值R，電感值為L(zhǎng)的電感阻抗為jwL（j為虛數(shù)單位），電容值為C的電容阻抗為

。

測(cè)量方法

電化學(xué)阻抗譜法

交流阻抗

電化學(xué)阻抗譜方法是一種以小振幅的正弦波電位（或電流）為擾動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測(cè)量方法。由于以小振幅的電信號(hào)對(duì)體系擾動(dòng)，一方面可避免對(duì)體系產(chǎn)生大的影響，另一方面也使得擾動(dòng)與體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系，這就使測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡(jiǎn)單。交流阻抗法就是以不同頻率的小幅值正弦波擾動(dòng)信號(hào)作用于電極系統(tǒng)，由電極系統(tǒng)的響應(yīng)與擾動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系得到的電極阻抗，推測(cè)電極的等效電路，進(jìn)而可以分析電極系統(tǒng)所包含的動(dòng)力學(xué)過程及其機(jī)理，由等效電路中有關(guān)元件的參數(shù)值估算電極系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如電極雙電層電容，電荷轉(zhuǎn)移過程的反應(yīng)電阻，擴(kuò)散傳質(zhì)過程參數(shù)等。

一個(gè)電極體系在小幅度的擾動(dòng)信號(hào)作用下，各種動(dòng)力學(xué)過程的響應(yīng)與擾動(dòng)信號(hào)之間呈線形關(guān)系，可以把每個(gè)動(dòng)力學(xué)過程用電學(xué)上的一個(gè)線性元件或幾個(gè)線性元件的組合來表示。如電荷轉(zhuǎn)移過程可以用一個(gè)電阻來表示，雙電層充放電過程用一個(gè)電容的充放電過程來表示。這樣就把電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程用一個(gè)等效電路來描述，通過對(duì)電極系統(tǒng)的擾動(dòng)響應(yīng)求得等效電路各元件的數(shù)值，從而推斷電極體系的反應(yīng)機(jī)理。

同時(shí)，電化學(xué)阻抗譜方法又是一種頻率域的測(cè)量方法，它以測(cè)量得到的頻率范圍很寬的阻抗譜來研究電極系統(tǒng)，因而能比其他常規(guī)的電化學(xué)方法得到更多的動(dòng)力學(xué)信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息。

安全概要

1.試驗(yàn)回路應(yīng)采用隔離調(diào)壓器或隔離變壓器

2.試驗(yàn)前應(yīng)按照本手冊(cè)的說明，正確連接試驗(yàn)回路

3.儀器面板上的接地端鈕必須就近可靠接地

4.試驗(yàn)中，在調(diào)壓器有輸出時(shí)，避免儀器斷電或斷開測(cè)試回路，以免被試設(shè)備和儀器遭受過壓、過流沖擊

5.為保證人身安全，非生產(chǎn)廠家專業(yè)人員請(qǐng)勿拆卸儀器面板

6.本儀器禁止非專業(yè)人員隨意打開機(jī)箱插拔、調(diào)整內(nèi)部元器件，以免造成不必要的損失

技術(shù)規(guī)格

模擬通道	n模擬通道A/D分辨率：14位
	n有效值計(jì)算精度：0.5級(jí)
測(cè)量范圍	有功功率：
	阻抗：
絕緣強(qiáng)度	引用標(biāo)準(zhǔn)：
	試驗(yàn)方法：AC2kV1分鐘漏電流2mA

展開表格

其他：

型號(hào)	調(diào)壓器輸出	測(cè)試電壓（U）	測(cè)試電流（I）
量程
輸入阻抗	200kΩ	200kΩ	0.01Ω
過載能力	1.2倍	1.2倍	1.2倍

測(cè)試回路

交流阻抗

面板布置如圖3.2所示，面板上各元件名稱和功能如下：

①輸入端：接調(diào)壓器輸出端；

②U1、U2：電壓測(cè)量端鈕；

③I1、I2：電流測(cè)量端鈕；

④接地端鈕；

⑤工作電源插座及開關(guān)；

交流阻抗

⑥熱敏打印機(jī)；

⑦旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)及左右鍵；

⑧液晶顯示器；

⑨USB通訊口；

⑩蜂鳴器。

現(xiàn)場(chǎng)接線

進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)試時(shí)采用四端接線法，接線方式如圖3.3所示。在測(cè)試鉗的兩付導(dǎo)線中，紅色粗導(dǎo)線為電流線，分別接電流端I1、I2；黑色細(xì)導(dǎo)線為電壓線，分別接電壓端U1、U2。

交流阻抗

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