北京北廣精儀儀器設(shè)備有限公司專業(yè)生產(chǎn)阻抗分析儀

阻抗分析儀對電極的要求非常嚴(yán)格，因為電極是被測件與儀器之間的接口，電極的特性直接成為測量系統(tǒng)的一部分。不合適的電極會引入顯著誤差，甚至使測量結(jié)果失真。

以下是阻抗分析儀對電極的主要要求，從基本原則到具體考量：

一、核心基本原則

1.引入的阻抗可忽略或可校準(zhǔn)

電極、連接線和夾具自身的電阻、電感和電容應(yīng)該遠(yuǎn)小于被測件的阻抗值。如果不能忽略，就必須通過校準(zhǔn)程序?qū)⑵鋸臏y量結(jié)果中扣除。

2.穩(wěn)定性與可重復(fù)性

電極的電氣特性（如接觸電阻、界面電容）應(yīng)在測量過程中保持穩(wěn)定，不隨時間、溫度或測量信號而變化。

每次安裝和連接的方式必須可重復(fù)，否則測量結(jié)果沒有可比性。

3.匹配測量頻率范圍

電極的結(jié)構(gòu)和材料決定了其適用的頻率范圍。低頻測量和高頻測量對電極的要求截然不同。

二、電極的關(guān)鍵性能指標(biāo)與要求

1.材料選擇

化學(xué)穩(wěn)定性：電極材料不能與待測樣品（尤其是電解液）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，測量酸性溶液時，不應(yīng)使用銅電極。

電化學(xué)穩(wěn)定性：在施加交流信號時，材料應(yīng)盡可能是非極化的，即不產(chǎn)生顯著的直流偏壓或發(fā)生法拉第過程（電荷轉(zhuǎn)移）。

理想材料：貴金屬（如鉑、金）是，因為它們化學(xué)惰性高，不易氧化，極化效應(yīng)小。

常用材料：不銹鋼在非水溶液或要求不高的場合也常用。

特殊材料：銀/氯化銀電極在電化學(xué)測試中非常普遍，因為它提供一個穩(wěn)定、可逆的參考電位。

導(dǎo)電性：材料本身電阻要足夠低，以避免產(chǎn)生額外的串聯(lián)電阻。

2.結(jié)構(gòu)與幾何形狀

對稱性與一致性：對于二電極法，兩個電極應(yīng)盡可能相同（材料、尺寸、表面積），以確保電場分布對稱，簡化分析。

表面積：

電極的表面積決定了雙電層電容的大小。表面積越大，雙電層電容越大。

在高頻下，大的雙電層電容會形成低阻抗通路，可能導(dǎo)致測量信號“短路"通過電極界面，而無法探測到被測樣品的體阻抗。

在低頻下，雙電層電容會與樣品阻抗形成串聯(lián)，影響相位和幅值。

間距與定位：兩個電極之間的距離和平行度必須固定且精確。電極間的電容是并聯(lián)在待測樣品上的，其影響會隨著頻率升高而加劇。

3.界面特性（最關(guān)鍵也最復(fù)雜）

電極與樣品接觸會形成一個非常復(fù)雜的界面，通常用“電極/電解液界面等效電路"來描述，其中的是雙電層模型。

雙電層電容：在電極/電解液界面，由于電荷分離會形成一個電容，其值取決于電極材料、表面粗糙度、電解液濃度和電壓。

極化電阻：如果電極材料或施加的電壓可能導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)，就會產(chǎn)生一個與電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的電阻。一個好的電極應(yīng)具有盡可能大的極化電阻，以抑制法拉第電流，使系統(tǒng)更接近一個理想的電容界面。

沃伯格阻抗：與電解液中離子的擴散過程相關(guān)，通常在低頻段顯現(xiàn)，表現(xiàn)為一條45°斜率的直線。

三、根據(jù)測量方法選擇電極

阻抗測量主要有兩種方法，對電極的要求也不同：

1.二電極法

描述：使用兩個相同的電極，既作為工作電極也作為對電極。

要求：

電極對稱性要求。

電極的界面阻抗會串聯(lián)在總的測量阻抗中。因此，只有當(dāng)樣品阻抗遠(yuǎn)大于單個電極的界面阻抗時，測量才準(zhǔn)確。

適用場景：主要用于測量高阻抗樣品，如絕緣材料、薄膜、高電阻率溶液等。

2.三電極/四電極法

描述：

三電極：包含工作電極、對電極和參比電極。參比電極提供一個穩(wěn)定的電位參考點，用于精確測量工作電極/溶液界面的阻抗，而幾乎不受溶液電阻和對電極界面阻抗的影響。

四電極：使用兩對電極，一對用于注入電流，另一對用于高阻抗地測量電壓。這可以消除引線和接觸電阻的影響。

要求：

三電極法：需要一個穩(wěn)定、可靠的參比電極（如Ag/AgCl）。

四電極法：對電流電極的要求較低，但電壓測量電極需要的輸入阻抗。

適用場景：

三電極法：主要用于電化學(xué)研究，如腐蝕、電池、涂層等，專注于研究單個電極/電解液界面的特性。

四電極法：主要用于測量低阻抗樣品，如電解液、導(dǎo)電材料、生物組織等，可以消除引線電阻的影響。

四、頻率范圍的影響

低頻測量：電極的極化效應(yīng)和雙電層電容占主導(dǎo)地位。需要大表面積的惰性電極來雙電層電容，最小化極化效應(yīng)。

高頻測量：電極的幾何結(jié)構(gòu)和寄生參數(shù)（引線電感、極間電容）占主導(dǎo)地位。需要使用短而粗的連接線，緊湊的夾具設(shè)計，并盡量減小電極的對地電容。

總結(jié)：最佳實踐與建議

1.明確測量目標(biāo)：你是在測材料本體屬性，還是測電極界面屬性這決定了使用二電極還是三電極法。

2.匹配電極材料與樣品：確保化學(xué)和電化學(xué)兼容性。貴金屬是通用。

3.優(yōu)先使用商用夾具：對于標(biāo)準(zhǔn)樣品（如平板材料、液體），使用儀器制造商提供的專用電極夾具（如平行板電極、液體電極盒），它們已經(jīng)過設(shè)計，并提供了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.必須進行校準(zhǔn)：在連接被測件之前，務(wù)必對測試夾具和電纜進行開路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)。這是消除系統(tǒng)誤差最關(guān)鍵的一步。

5.保持清潔與一致性：電極表面必須清潔，無氧化層或污染物。每次測量時，確保電極的安裝方式、扭矩（如適用）和接觸狀一致。

簡而言之，選擇電極的核心思想是：讓你所關(guān)心的阻抗（樣品）遠(yuǎn)大于你不關(guān)心的阻抗（電極系統(tǒng)本身），或者通過校準(zhǔn)和測量技術(shù)將其影響分離出去。