AIMATRALAB / SCIENTIFIC RECORD 1.0

阻抗与界面响应实验室
科学说明与审核记录

版本 1.0 · 2026-10-27 · 理想小信号模型

本工具计算理想 Randles 电路的解析响应,不做实验拟合,不从电路参数唯一推断真实微观机制。AI 审核不等同于电化学专家认证。

1. 电路拓扑

溶液电阻 Rₛ 与并联网络串联;并联的两条支路分别是双电层电容 Cdl,以及电荷转移电阻 Rct 串联半无限扩散 Warburg 元件 W。它不是 Rct 与 Cdl 串联,也不是 W 置于整个并联电路之外。

e^(jωt) ; ω = 2πf
Z𝑊 = σ(1 − j) / √ω
Z = Rₛ + [jωCdl + (Rct + Z𝑊)⁻¹]⁻¹
V(t) = V̂ cos(ωt)
I(t) = V̂ / |Z| cos[ωt − arg(Z)]
Nyquist: (Z′, −Z″)
Bode: log₁₀(|Z|/Ω), arg(Z) versus log₁₀(f/Hz)

2. 符号、单位与显示

采用 eʲωᵗ 约定,电容和本 Warburg 元件的虚部为负。Nyquist 纵轴为 −Z″;Bode 相位显示 arg Z,通常为负;电流相对电压超前 −arg Z。Nyquist 横纵轴每欧姆的显示像素相同,以保持半圆与 45° 尾部的几何含义。频率范围 100 kHz–1 mHz,161 个对数等距频率;当前频率连续独立计算,不强制对齐采样点。

Rₛ、Rct 单位 Ω;Cdl 内部单位 F,输入 µF;σ 单位 Ω·s⁻¹ᐟ²,使 σ/√ω 为 Ω。交流电压为峰值 V̂,不是 RMS。波形各除以自身峰值,所以相位可直接比较,曲线高度不能用于比较 V 与 A 的绝对大小;峰值分别显示在图下。横轴 t/T,演示周期放慢为 3 秒,与物理频率解耦。

3. 参数与边界

σ = 0 去掉 Warburg 贡献,得到理想 Rₛ + (Rct ∥ Cdl)。其高频截距为 Rₛ,低频截距 Rₛ + Rct,弧顶角频率为 1/(Rct Cdl),弧顶 −Z″ = Rct/2。σ > 0 时,1/(2πRct Cdl) 只作 RC 尺度参考,不能当作实际阻抗峰。半无限 Warburg 适用于扩散长度未碰到有限边界的近似,极低频时真实实验可偏离。

界面电荷球随归一化电压相位示意变化,数量、大小和位置不代表定量电荷密度、电势或原子电子轨迹。三电极硬件为通用示意。电路视图与示意拓扑互相对应;相机移动不改变阻抗。

4. 验证与审核

自动测试独立核对无 Warburg 时的高低频极限、RC 弧顶、Warburg 的等实部/负虚部、非负被动电路的阻抗符号,以及由相量反演的电流超前。数值基准:Rₛ = 20 Ω、Rct = 250 Ω、Cdl = 40 µF、σ = 0 时,f = 15.9154943 Hz 对应 Z = 145 − 125j Ω。Rₛ = 10 Ω、Rct = 100 Ω、Cdl = 0、σ = 30 Ω·s⁻¹ᐟ²、ω = 1 rad/s 时,Z = 140 − 30j Ω。

独立 AI 交叉审核已用六个频率(0.001、0.01、1、15.91549、1000、100000 Hz)下的独立闭式 RC 解核对,并重构 I(0) = V̂ Re(Z)/|Z|²;数值误差小于 10⁻¹¹。独立审核未发现实质科学阻塞;不等同于人工电化学专家认证。

5. 未包含的物理过程

模型假设小信号、线性、时不变和理想元件。不包含 CPE、感抗、有限长度扩散、电极非均匀性、非线性动力学、漂移、噪声或真实仪器传递函数。界面没有求解 Poisson–Nernst–Planck,也没有进行原子尺度电荷输运。1–10 mV 峰值是演示输入;模型自动保持线性,不构成真实材料在线性范围内的证明。

6. 公开依据

model.mjs · SHA-256 (LF)
ea0ca0cbc45e632cdff4955e742e561baabdf7bc6d4308fda006563df5cbf309

  1. Gamry Instruments: Basics of Electrochemical Impedance Spectroscopy — complex impedance, ideal capacitors, Randles circuits and semi-infinite Warburg.
  2. Gamry Framework: Electrochemical Impedance — small AC perturbation and Nyquist/Bode representation.

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