¿Por qué un capacitor ideal dar lugar a una planta rectangular cíclico voltammogram (CV)?

Question

Muchos científicos están interesados en el desarrollo de supercondensadores, que han de electrolitos en lugar de sólido dieléctrico entre las placas con carga. En el campo de la electroquímica, la voltametría cíclica (CV) es a menudo utilizado para determinar la capacidad de los electrodos (por ejemplo, basados en el carbono, electrodos) en supercondensadores.

A menudo he oído que un capacitor ideal da lugar a una planta rectangular cíclico voltammogram (CV). Puede usted por favor me ayuden a entender por qué este es el caso? En otras palabras, ¿por qué un capacitor ideal de llegar a una corriente constante I tan pronto como el voltaje V se aplica?

Yo, de hecho, casi ideal CVs en muchos artículos de literatura (CVs que son más bien rectangular con las esquinas redondeadas). En otras cifras, sin embargo, veo relativa a la desviación de "rectángulos con esquinas redondeadas," en que me vea abruptos picos, picos o valles.

Por ejemplo, a continuación he trazan dos figuras de Khomenko, Electrochimica Acta de 2005, 50, 2499-2506. Sólo a muy grandes rasgos y de la mano "ondulado," lo que podría ser el cualitativos razón para el "rectángulo con las esquinas redondeadas" comportamiento de la Figura 8 (a la izquierda) y el "abruptos picos" de comportamiento de la Figura 4 (derecha)? Podría ser que el ejemplo de la Figura 8 (a la izquierda) es relativamente no reactivo hacia apllied potencial, mientras que el ejemplo de la Figura 4 (derecha) se somete redox (Faraday), las reacciones que indica la presencia de los llamados pseudocapacitance-cuando un potencial externo se aplica?

Por favor, sepan que yo no estoy en busca de una respuesta específica para el artículo que he enlazado. Sólo estoy haciendo esta pregunta en el contexto de básica, los aspectos cualitativos de la voltametría cíclica. Gracias!

Answer 1

Un capacitor ideal hace rectangular "volt-ammogram" porque así es como los condensadores de trabajo. Observa la ecuación de la corriente a través de un condensador como una función de la tensión y usted debería ser capaz de ver esto.

En primer lugar, vamos a aclarar lo que el gráfico está hablando especialmente puesto que usted está utilizando un término no habituales de la ingeniería eléctrica. He oído hablar de ello antes de electroquímica de la gente, pero me tomó un tiempo para darse cuenta de lo que estaban diciendo. Lentamente se están barriendo el voltaje desde algún punto inicial a un punto final, luego lentamente de regreso al punto de inicio. El eje X es de tensión y el eje y es actual. Desde que se trazan los voltios versus amperios, mumble estos dos juntos en "voltammogram".

Si, por ejemplo, una resistencia se mide, entonces el aumento de tensión de la parte de la trama sería una línea recta con una corriente proporcional a la tensión de acuerdo a la resistencia. Como la tensión fue arrastrado hacia abajo con el valor original, la trama iba a seguir la misma línea que se subió. No es terriblemente emocionante.

Cosas interesantes que sucede cuando las reacciones electroquímicas están involucrados. Por ejemplo, imagine una batería que está siendo probado frente a una resistencia. La batería se está cargando como la tensión aumenta, luego dados de alta ya que el voltaje disminuye. No va a seguir el mismo camino hacia adelante como hacia atrás. De hecho, el área dentro de la curva es una indicación aproximada de la actividad electroquímica. Básicamente cualquier cosa con "memoria" va a tener un valor distinto de cero área dentro de la tensión de baja-alta-baja de bucle.

Ahora consideremos un condensador se mide. La corriente a través de un condensador es proporcional a la derivada de la tensión:

A = F V/s

Donde a es la corriente en Amperios, F capacitancia en Faradios, V la fuerza electromotriz en Voltios, y el tiempo en segundos. Así que ahora usted debería ser capaz de ver que si el voltaje se incrementa a una tasa constante (V/s fijo), entonces habrá una corriente constante. En un voltammogram esto significa que una línea horizontal. Ahora, cuando la tensión es la disminución de la misma cosa que sucede, pero el signo de la corriente se invierte. Esto es de nuevo una línea horizontal, pero en algunos negativos actual (por debajo de 0 en la parcela), mientras que la primera línea estaba por encima de cero. La corriente cambie instantáneamente de positivo a negativo ya que el voltaje se cambia de creciente a decreciente. La corriente cambia de repente, pero con poco o ningún cambio en el voltaje, lo que resulta en líneas verticales. Poner todo junto y tiene un cuadro para un capacitor ideal.

Answer 2

El tipo de análisis que se requiere es que fuera del ámbito de la química y se manejan mejor en el cuidado de las manos de un ingeniero eléctrico. Te voy a dar un breve intento que explota un fácil-a-uso de simulador de circuito.

Tenemos que pensar primero en un circuito equivalente que podemos utilizar como un modelo para determinar su comportamiento. Sugiero lo siguiente:

donde mi variable es R1 el valor de su resistencia, el cual establece en 0, 10 y 100 ohm. Si fuéramos a ver que esto suceda en el tiempo, a continuación, veríamos lo siguiente:

Rápidamente la conversión de estos a la Corriente vs Voltaje y la ejecución de otros dos simulaciones en diferentes resistencias y obtenemos:

Estos resultados son debido a la configuración de ecuaciones diferenciales y resolverlos adecuadamente.

Usted puede jugar con el circuito que he hecho por ti mismo aquí.