Начнем с того, что скажем пару слов об импедансе. Заимствованный из электротехники, метод измерения полного (или как говорят люди ученые комплексного) сопротивления электрической цепи является ли ни одним из самых мощных аналитических подходов к исследованию электрохимических систем (ЭС), что по праву ставит его в один ряд с вольтамперометрическими и импульсными методиками. Суть данного метода состоит в наложении на ЭС синусоидального электрического сигнала с малой амплитудой (1-10 милливольт) и частотой от десятков микрогерц до единиц мегагерц. Исходя из предположения, что ЭС можно разбить на участки с явной границей раздела и представить их как электрические сопротивления и емкости, то полное сопротивление ЭС – импеданс – является суммой этих сопротивлений. Таким образом, мы можем узнать сопротивление, как ЭС в целом, так и конкретной её части (электрода, электролита, мембраны).
В качестве входного сигнала используется переменное напряжение E(t) с амплитудой, например, 10 милливольт. На выходе с исследуемой ЭС снимается величина отклика в виде силы тока I(t). Так, при сопротивлении объекта 1.25 ом, величина амплитуды силы тока будет 8 миллиампер. Если исследуемый объект представляет собой активное (частотно-независимое) сопротивления, то неважно какая частота была у входного сигнала. Нами будет отмечена лишь уменьшение амплитуды сигнала отклика. В случае объектов с реактивным (частотно-зависимым) сопротивлением, при изменении частоты мы будем наблюдать увеличение или уменьшение амплитуды силы тока на выходе, а также заметим, что зависимость силы тока от времени имеет смещение (или как говорят люди ученые фазовый сдвиг).
Итак, к чему всё это? ЭС не является монолитным (монофазным) объектом. Опуская пластинку металла в раствор, содержащий ионы – электролит, мы автоматически создаем такой «микрокосмос», что и представить порой сложно. Вот есть пластинка (электрод) и жидкость (электролит); на границе электрод-электролит в самом упрощенном виде образуется то, что называют двойной электрический слой (ДЭС), являющий собой сверхтонкий конденсатор (емкость). И вот у нас уже три участка сопротивления: электрод, ДЭС и электролит. И это только плоская беспористая пластинка и раствор. Если электрод обладает сложной формой (трубка, сетка), пористостью или имеет место химическая реакция с электроактивными продуктами – количество участков увеличивается, а задача усложняется.
А теперь, к сути вопроса. При работе с сигналами переменной частоты, свое аналитическое преимущество показала не декартовая, а полярная (векторная) система координат. Отчасти это вызвано тем, что результаты измерений импеданса рассматривают в рамках комплексной математики, приписывая активной компоненте ось реальных значений (Re), а реактивной компоненте – мнимую (Im). Сопротивление ЭС при фиксированной частоте (Z), представляет собой вектор из начала координат с длиной равной Z и под углом, равным углу фазового сдвига. Данный способ представления импеданса называют графиком Найквиста.
Если ЭС не имеет реактивных «частей», то угол сдвига фаз равен нулю и график импеданса начинается и заканчивается в точке R=600 ом на оси Re. В случае, когда ЭС состоит только из реактивных частей, мы имеем график параллельный оси Im (угол фазового сдвиг равен 90 градусов) из нулевой точки по оси Re.
Комбинируя активную и реактивную компоненту в ЭС, мы получаем стремление графической зависимости выстроиться параллельно оси Im из-за наличия реактивной части (емкости ДЭС, например), но её смещает наличие материальных границ раздела (смена фаз, пористость, дисперсность частиц фазы), что в конечном итоге дает нам в полярных координатах «сворачивание» графика в концентрическую фигуру - полуокружность.
#true_elchem
#наука #электрохимия #импеданс #годограф #интересно #нон-фикшен #математика
#science #electrochemistry #impedance #hodograph #curious #non-fiction #math