概述

恒電位儀是用于控制同一電解池中,，工作電極和參比電極之間電位差的電子設(shè)備，是通過輔助電極或?qū)﹄姌O,，向電解池中引入電流來實現(xiàn)的,。

在幾乎所有應(yīng)用當(dāng)中，恒電位儀都是在測量工作電極和輔助電極之間的電流,。即控制電位,，測量電流。

前提

此應(yīng)用報告需要熟悉電子方面的專業(yè)術(shù)語,，如電位,、電流、電阻,、電容等,。如果感覺這方面有所欠缺，建議您先復(fù)習(xí)一下電子學(xué)或物理學(xué)基本知識,。

電極

恒電位儀要求下圖所示的三電極電解池,。 W/WS表示工作電極或工作+傳感電極,，R代表參比電極，C代表輔助電極

工作電極

在控制工作電極電位的條件下,，測量通過工作電極的電流,。對于許多物理電化學(xué)實驗，工作電極都采用惰性材料,，如金,、鉑、玻碳等,。這時,，工作電極表面可以看作是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所。

在腐蝕實驗中,，工作電極就是腐蝕金屬樣品,。一般來講，工作電極并非被研究金屬材料的全部結(jié)構(gòu),，而只需使用一小片,，這一點與腐蝕掛片法類似。工作電極可以是裸金屬或者帶涂層或鍍膜的金屬,。

對電池而言,，恒電位儀直接與電池的正負極連接。

參比電極

參比電極用于測量工作電極電位,，合格的參比電極在沒有電流通過的情況下,，應(yīng)該具有恒定的電位。

實驗室常見的的參比電極有飽和甘汞電極（SCE）和銀-氯化銀電極(Ag/AgCl),。在某些情況下,，常常使用與工作電極一致的一小片材料用作參比電極，稱為“準參比”,。

銀-氯化銀電極(Ag/AgCl)

對電極（輔助電極）

對電極或輔助電極是構(gòu)成電解池回路的導(dǎo)體,。

實驗室電解池中的對電極一般都是惰性導(dǎo)體，如鉑或石墨,。在某些情況下,，與工作電極材料一致。通過工作電極流入溶液的電流,，通過對電極再流出溶液,。

電極浸沒在電解液（導(dǎo)電溶液）中，所有電極,、溶液、盛放溶液的容器統(tǒng)稱為電解池,。

原理圖

Gamry恒電位儀簡化原理圖如下：

電路主要包含四大部分,，我們將逐一討論,。如果不熟悉電子學(xué)知識，別擔(dān)心,，您仍可以從下列描述中了解到很多信息,。

在原理圖中，放大器上標(biāo)有“X1”表示是單位增益差分放大器,，該回路的輸出電壓等于兩個輸入端的電位差,。

標(biāo)有“Voltage”和“Current * Rm”的部分表示發(fā)送到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓和電流信號，這些模擬信號將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,。

靜電計（Electrometer）

靜電計回路用于測量工作電極和參比電極之間的電壓,，其輸出值具有兩方面的作用：一是作為恒電位儀回路的反饋信號；二是需要提供電解池電壓的時候,，給出測量值,。

理想的靜電計輸入電流應(yīng)為零，并具有無窮大輸入阻抗,。通過參比電極的電流將會改變其電位,，影響參比電極電位穩(wěn)定性，但實際上,，所有現(xiàn)代靜電計輸入電流都無限接近零,，所以這個影響基本可以忽略。

帶寬和輸入電容是靜電計的兩個重要特性,。

靜電計帶寬描述的是低阻抗條件下,，該靜電計能夠測量的交流頻率。靜電計帶寬必須高于恒電位儀中所有其它電子元件帶寬,。

靜電計輸入電容及參比電極電阻構(gòu)成了一個RC過濾器,。如果這個過濾器時間常數(shù)太大，將會限制靜電計的有效帶寬,，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,。較小的輸入電容將有利于儀器穩(wěn)定運行，并更加耐受高阻抗參比電極,。

電流/電壓轉(zhuǎn)換器（I/E Converter）

簡化原理圖中的電流/電壓轉(zhuǎn)換器用于測量通過電解池的電流,，它強制使電流通過一個電流測量電阻Rm，依據(jù)電阻兩端電位下降值,，來計算通過的電流大小,，即電解池電流。

對于有些實驗,，電流值改變并不大,。然而，另外有些如腐蝕實驗,，電流變化經(jīng)常達到七個數(shù)量級,。你不能在如此大范圍內(nèi),，用同一個電阻來測電流值，因此,，電流/電壓轉(zhuǎn)換器回路中引入了多個電阻,，并使用電腦自動控制，選擇相應(yīng)的電阻來測量電流,。"I/E autoranging"運算法則常用于電阻值的選擇,。

電流/電壓轉(zhuǎn)換器的帶寬主要依賴于轉(zhuǎn)換器的靈敏度。測量小電流需要大電阻,。轉(zhuǎn)換器電阻Rm與雜散電容形成了RC過濾器,，限制了電流/電壓轉(zhuǎn)換器的帶寬。沒有恒電位儀能在100kHz頻率下準確測量10nA的電流,，因為在這個電流范圍的帶寬太低,，這一點在電化學(xué)阻抗測量中尤為重要。

控制放大器(Control Amp)

控制放大器是一種伺服放大器,。它會比較測量電位與設(shè)定電位的差值,，驅(qū)動電流在電解池中流動，強制使工作電極電位符合設(shè)定值,。

請注意,，測量電位輸入到控制放大器的反相輸入端。測量電位正向的波動將引起控制放大器的反相輸出,。這個反相輸出使初的正向波動減弱,。這種控制方式成為負反饋。

通常條件下,，電解池電壓等于信號源的電壓,。

控制放大器輸出能力有限，以Gamry生產(chǎn)的Series G 300恒電位儀為例,，控制放大器輸出不超過20V或者300mA,。

信號(Signal)

信號電路是受電腦控制的電壓源，一般由數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（D/A）輸出信號,，該轉(zhuǎn)換器可以將電腦產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,。

通過電腦選擇合適的數(shù)字陣列，信號電路可以輸出恒定的電位、線性變化的電位，以及正弦波,。

當(dāng)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器用來發(fā)生如正弦波或線性變化的波形時，實際得到是模擬波形的等效近似波形,，包含微小的電位階躍，階躍電位的大小是由數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的分辨率和轉(zhuǎn)換速率決定的。

恒電流儀及零電阻電流計（ZRA）

Gamry恒電位儀也可以作為恒電流儀,，或者零電阻電流計（ZRA）進行工作,。

當(dāng)簡化原理圖中的反饋電路從電解池電壓切換到電流信號時，恒電位儀就變成了恒電流儀,。儀器控制的不再是電壓，而是電流,。靜電計輸出同樣可以用于測量電解池電壓,。

零電阻電流計（ZRA）可以強制使兩個電極之間的電位差為零，同時測量電極之間流過的電流,。這常常用于研究電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象和測量電化學(xué)噪聲,。