정전 용량 전류

정전 용량 전류의 정의

일반적으로 전기화학자들은 전기화학 반응으로 인해 발생하는 전류인 패러데이 전류에 관심을 갖습니다. 물리학에서 발생하는 용량성 전류는 원치 않는 부작용입니다. 이 전류의 원인은 전극 앞에 이온이 축적되기 때문입니다.

이러한 이온과 전극의 하전된 표면이 커패시터를 형성합니다. 커패시터는 커패시터의 전위 E와 커패시턴스 C에 따라 전하 Q를 저장합니다:

이것이 측정에 어떤 의미가 있을까요? 예를 들어 전위 단계 중에 전극의 전위가 변경되면 커패시터가 저장하는 전하의 양이 변경되고 화학적 의미는 없고 물리적 의미만 있는 전류가 흐르게 됩니다. 이 전류는 커패시터를 충전하거나 방전하는 전류로 정전 용량 충전 전류 또는 단용량 전류라고도 합니다. 이 전류는 전자공학에서 알려진 대로 시간 t에 따라 기하급수적으로 감소합니다(방정식 4.2 참조).

^EC는 충전 전위 또는 전압, ^I0는 시작 전류, R은 커패시터 주변 회로의 저항, C는 커패시터의 커패시턴스입니다. 이 감쇠는 충분한 반응물이 있는 경우 패러데이 전류의 감쇠보다 훨씬 빠릅니다.

용액에서 자유 확산 종을 포함하는 반응의 경우 패러데이 전류가 ^t-½로 감쇠한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이는 용량성 전류가 패러데이 전류보다 훨씬 빠르게 감쇠한다는 것을 의미합니다. 용량성 전류의 감쇠와 자유 확산 종의 패러데이 전류의 차이는 그림 4.5에 도식으로 표시되어 있습니다.

스윕 전압 측정 및 순환 전압 측정 중 정전 용량 전류

선형 스윕 전압 측정 또는 순환 전압 측정 중에 전극의 전위는 전체 측정 중에 연속적으로 선형적으로 변경됩니다. 즉, 선형 스윕 중에는 일정한 용량성 전류가 흐릅니다. 이는 시간 t당 전하 Q인 전류 I의 정의와 방정식 4.1에서 공제할 수 있습니다:

방정식 4.3은 용량 C가 높을수록 용량성 전류가 높다는 것을 보여줍니다. 플레이트 커패시터의 용량 C는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

여기서 _ε0은 전기장 상수, _εr은 플레이트 사이의 매질의 상대적 유전율, d는 두 플레이트 사이의 거리, A는 두 플레이트의 표면적입니다.

용량에 영향을 미치는 대부분의 요인은 전기화학 실험에서 변경할 수 없습니다. 상수 _ε0은 변경할 수 없습니다. 거리 d와 상대 유전율 _εr은 용액을 변경해야만 변경할 수 있는데, 이는 d가 전극 표면과 이온 층 사이의 거리에 의해 정의되기 때문입니다. _εr은 용매의 특성입니다. 전극 A의 면적은 표면 거칠기에 영향을 받습니다. 표면이 거칠수록 표면적이 커집니다. 즉, A는 우리가 실제로 영향을 줄 수 있는 파라미터입니다. 작동 전극이 재사용 가능한 전극인 경우, 표면을 매끄럽게 연마하면 A와 용량성 전류를 크게 줄일 수 있습니다.

다행히도 디지털 포텐셔너리는 진정한 선형 스윕을 제공하지 않습니다. 아날로그 전위는 전위 스윕을 위한 진정한 라인을 제공합니다. 디지털 포텐시오스탯은 이산 값만 적용할 수 있습니다. 이 특성 때문에 작은 전위차 단계를 수행하여 선형 증가에 접근해야 합니다. 이 작은 단계는 대략 선에 해당합니다. 화면의 픽셀로 원이 형성되는 것처럼 충분히 확대하면 스텝과 가장자리를 볼 수 있습니다. 이러한 단계 중 하나에서 용량성 전류는 방정식 4.3이 아닌 방정식 4.2에 따라 동작하는데, 이는 연속적인 변화가 아니라 작은 단위의 일정한 전위 증가이기 때문입니다. 전위 단계 증분의 마지막 1/4만 측정에 사용되며 대부분의 정전 용량 전류는 방정식 4.2에 따라 이미 감쇠되어 있습니다.

따라서 진정한 선형 옵션을 제공하지 않는 디지털 전위차계를 사용한 측정은 항상 진정한 선형 스윕의 이론이 예측하는 것보다 훨씬 작은 정전 용량 전류를 표시합니다. 장점은 용량성 전류의 대부분을 억제한다는 것입니다. 단점은 정확한 정전 용량 전류를 측정해야 하는 경우 디지털 포텐시오스탯이 측정을 수행할 수 없다는 것입니다.