Лаборатория Спектроскопии Дефектных Структур ИФТТ РАН

Медаль на 8й европейской конференции в Люцерне "European SOFC Forum". Награда за лучшую постерную работу.

Методики лаборатории

Импедансная Спектроскопия

Свойства разнообразных физических, физико-химических, электрохимических и многих других систем удобно изучать путем наблюдения за их откликом на слабое внешнее воздействие. Импедансный метод позволяет это сделать с высокой эффективностью. В последние десятилетия он утвердился в качестве одного из основных методов исследования электрохимических объектов. В сравнении с другими электрохимическими методами, этот метод обеспечивает наивысшую точность для исключительно широкого диапазона частот воздействующего сигнала и дает обширную информацию, как о кинетике электрохимических процессов, так и о свойствах поверхности и объема исследуемого объекта.

Аналогия с сопротивлением.

В отличие от резистора, электрическое сопротивление которого характеризует соотношение напряжения и тока на нем, попытка применения термина электрическое сопротивление к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) приводит к тому, что сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю, а сопротивление идеального конденсатора - к бесконечности.

Такой результат вполне закономерен, поскольку сопротивление элементов рассматривается на постоянном токе, то есть на нулевой частоте, когда реактивные свойства не проявляются. Однако в случае переменного тока свойства реактивных элементов существенно иные: напряжение на катушке индуктивности и ток через конденсатор не равны нулю. То есть реактивные элементы на переменном токе ведут себя как элементы с неким конечным 'сопротивлением', которое и получило название электрический импеданс (или просто импеданс). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно оно позволяет одновременно учитывать и амплитудные, и фазовые характеристики сигналов.

Физический смысл.

Импедансом Z(jw) называется отношение комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, прикладываемого к ячейке, к комплексной амплитуде тока, протекающего через ячейку. При этом импеданс не должен зависеть от времени: если время t в выражении для импеданса не сокращается, значит для данного двухполюсника понятие импеданса не применимо.

Если рассматривать комплексный импеданс как комплексное число в алгебраической форме, то действительная часть Re(Z) соответствует активному сопротивлению, а мнимая Im(Z)- реактивному. Рассмотрение действительной части полезно при расчете мощности, выделяемой в ячейке, поскольку мощность выделяется только на активном сопротивлении.

Измерение импеданса ячеек.

При выполнении любых измерений на переменном токе необходимо принимать во внимание ряд важных соображений.

Частота измеряемого сигнала. Область частот должна быть по возможности наиболее широкой. Для импедансных измерений необходимы 6 - 9 порядков по частоте, т.е. 10^-3 - 10⁶ Гц.

Линейность. Если принять во внимание, что скорости элементарных стадий экспоненциально зависят от потенциала, то электрохимические процессы по определению нелинейны. Между тем все наиболее развитые теории сформулированы для линейных приближений. Это означает, что величина амплитуды, возбуждающей сигнал, должна поддерживаться достаточно малой, чтобы система оставалась линейной с хорошим приближением. Допустимые амплитуды варьируются в зависимости от природы исследуемых систем и частоты. Однако в общем случае, величины амплитуды 30 мВ от пика до пика не должна быть превышена без прямых доказательств, что это безопасно.

Bias. Многие системы имеют нелинейные токовые характеристики. В сыязи с этим имеет смысл проводить их исследования относительно различных напряжений смещения.

Случайные электрические помехи или наводки от промышленной частоты, также способны создавать проблемы, поскольку необходимо удерживать от возбуждения измеряемый малый сигнал. Тщательное экранирование ячейки и измерительной цепи всегда будут необходимы для снижения всех перечисленных видов помех до приемлемого уровня.

... наверх