Introduction
c’est un secret bien connu (il y a un oxymore pour vous!) parmi les électrochimistes qu’une cage de Faraday est utilisée pour réduire le bruit. Bien que ce « secret » soit assez largement connu dans les cercles d’électrochimie, vous auriez du mal à trouver de bonnes informations concernant l’utilisation et la fonction des cages de Faraday dans les manuels d’électrochimie., En fait, une inspection rapide des nombreux livres sur nos étagères ici à Gamry a produit un résultat en électrochimie pour les chimistes: « nécessite généralement que les mesures soient effectuées dans une cage de Faraday (un bouclier contre le bruit électronique). »
alors bravo à Sawyer, Sobkowaik et Roberts pour la seule mention que nous avons pu trouver sur une recherche rapide. Ils ont également obtenu l’utilisation correcte: réduction du bruit, particulièrement important dans les expériences à faible courant (telles que la voltammétrie de microélectrode)., Bien sûr, il n’y a aucune mention de mise en place, mise à la terre, ou d’autres techniques expérimentales qui bénéficient de l’utilisation d’un tel dispositif astucieux, comme EIS ou mesures de corrosion sur des matériaux très résistants. Ou vraiment, même ce qu’est une cage de Faraday.
alors qui était ce gars de Faraday?
le grand expérimentateur Michael Faraday est certainement surtout connu pour son travail avec le magnétisme et l’électricité. Il était un vulgarisateur de la science, Le Carl Sagan ou Neil deGrasse Tyson de son temps, auteur du populaire un cours de Six conférences sur l’histoire chimique d’une bougie., Bien plus intéressant, cependant, peut-être qu « il a une fois rejeté la chevalerie, deux fois refusé la présidence de la Royal Society, et a également refusé d » être enterré à l » Abbaye de Westminster.
Faraday n’était pas très bon en mathématiques. Sa compréhension de la myriade de phénomènes qu’il a étudiés était de nature plus intuitive. Il a l’âme d’un bricoleur. Parmi les nombreuses choses que nous pouvons au moins en partie le remercier aujourd’hui, il y a l’énergie électrique (générée par induction électromagnétique), le benzène (un peu cancérigène très utile) et, naturellement, la cage de Faraday.
quand la Cage de Faraday a-t-elle été inventée?,
Michael Faraday a inventé la Cage de Faraday en 1836.
qu’est Ce qu’une Cage de Faraday?
dans les études et les expériences de Faraday concernant la charge, le magnétisme et leur interaction, il a constaté que la charge sur un conducteur ne résidait que sur la surface extérieure. De plus, il a découvert que rien à l’intérieur de ce conducteur n’était affecté par un changement de charge électrique à l’extérieur. Plus tard, la théorie des champs était basée sur les travaux de Faraday, et il croyait, contrairement à l’opinion acceptée à l’époque, qu’un champ électrique s’étendait dans l’espace au-delà d’une charge.,
ayant un peu mieux compris les choses maintenant, nous savons que la répulsion électrostatique de charges similaires provoque une redistribution de la charge vers l’extérieur d’un conducteur résultant en un champ électrostatique net à l’intérieur du conducteur de zéro. « À l’intérieur du conducteur”, tout espace entouré d’une couche conductrice continue.
Ce phénomène produit un résultat assez net: tout bruit avec un composant électronique qui existe à l’extérieur de la cage est complètement annulé dans cet espace., C’est le même mécanisme que les électrochimistes utilisent pour justifier la non-prise en compte des champs électrostatiques dans les solutions d’électrolytes hautement conductrices. C’est aussi une rue à double sens: tout bruit créé à l’intérieur de la cage est empêché de s’échapper vers le monde extérieur. C’est ce qui nous garde en sécurité près d’un four à micro-ondes.
Il y a trois petites choses à garder à l’esprit. La première est que les ruptures dans la cage provoquent des lacunes qui permettent la pénétration par les champs électromagnétiques extérieurs (EM)., Pour une maille, ou un trou percé dans une boîte solide, la pénétration du rayonnement EM est limitée aux oscillations qui ont des longueurs d’onde inférieures à deux fois le diamètre de l’ouverture. Ainsi, une ouverture de 1 cm permet des longueurs d’onde de 2 cm et plus courtes, ce qui correspond à un bruit de 150+ GHz.
une seconde préoccupation, et plus pertinente, est une rupture longue, voire complète dans la continuité du matériau conducteur. L’accès à une Cage Faraday via un couvercle ou une porte crée la possibilité réelle d’une telle rupture dans la continuité., Si un côté est discontinu, même s’il est conducteur, alors la charge peut ne pas redistribuer correctement, l’effet d’annulation n’existera pas et un champ non nul existera dans la cage. L’utilisation d’un fil pour connecter des bords discontinus peut aider au travail à basse fréquence, mais est souvent insuffisante pour les expériences qui ont des fréquences et des vitesses de fonctionnement plus élevées.
Une dernière préoccupation est la conductivité de la cage. C’est rarement un problème, mais à mesure que la taille de la cage augmente, cela peut devenir une préoccupation plus importante., Plus la couche conductrice est résistive, plus la charge se redistribue lentement, ce qui entraîne un champ non annulant.
quand utiliser une Cage Faraday?
utilisez une cage Faraday dans la mesure du possible, car elle réduit toujours le bruit, en particulier le bruit des lignes électriques (secteur) qui est omniprésent-chaque laboratoire dans chaque bâtiment dans chaque pays avec un réseau D’alimentation en courant alternatif. Certaines expériences voient cependant un effet plus important que d’autres. Ce sont des expériences qui traitent de courants faibles ou de hautes fréquences, et des expériences où des mesures très précises (et précises) sont nécessaires.,
à peu près tous ceux qui font de l’électrochimie physique (CV, voltammétrie d’impulsions, chronoamp, etc.) tombe dans cette dernière catégorie-et lorsque de minuscules électrodes sont impliquées, alors les deux. La Corrosion peut ne pas souvent exiger autant de précision et de précision, mais les alliages résistants à la corrosion peuvent facilement conduire à des courants mesurés dans (et en dessous) la gamme nA, où une cage de Faraday est certainement nécessaire. EIS implique des fréquences plus élevées, et donc toute réduction du bruit est la bienvenue. La réponse sûre est d’utiliser une cage Faraday chaque fois qu’il est physiquement possible de le faire., Si le courant de votre cellule ne dépasse pas 1 µA, utilisez une cage de Faraday.
sur la Figure 1, des voltammogrammes cycliques pris sur une cellule factice résistance-condensateur sont représentés dans et Hors d’une cage de Faraday. Ils montrent qu’il est possible de se déplacer dans un environnement blindé de manière à avoir encore du bruit. Cela signifie que nous devons discuter de la façon de configurer et d’utiliser une cage Faraday correctement.
la Figure 1. Trois CV recueillis sur la même cellule factice RC avec les mêmes paramètres (0-1 V à 0.,5 V/S avec une fréquence d’acquisition de 1 kHz) en utilisant un potentiostat Gamry série G 750 et un logiciel de panneau avant virtuel VFP600. (a) collectés à l’extérieur d’une cage de Faraday; (b) à l’intérieur d’une cage de Faraday qui n’était pas mise à la terre au potentiostat; (c) dans une cage de Faraday qui était mise à la terre au potentiostat (les valeurs actuelles sont ~ 25 pA).
une Cage de Faraday doit-elle être mise à la terre?
pour faire simple: oui. Toutes les mesures électrochimiques sont référencées à un certain potentiel de terre dans le potentiostat., Pour cette raison, l’utilisation efficace d’une cage de Faraday pour l’expérimentation électrochimique doit inclure une mise à la terre appropriée. Alors que le problème de mise à la terre peut devenir très compliqué, le raisonnement de base est assez simple. L’ensemble de la cage de Faraday (y compris l’intérieur) est à un potentiel constant, et—s’il n’est pas connecté—ce potentiel peut être très différent de la référence de masse du potentiostat. Autrement dit: il peut exister de grandes tensions CA entre l’intérieur de la cage et la référence de masse.,
Cette différence de tension se couple de manière capacitive dans les électrodes, faisant du bruit soi-disant protégé une partie de la mesure. Pour cette raison, connectez toujours une cage Faraday à la masse de l’instrument. La grande majorité devrait également avoir leur potentiostat mis à la terre. Avec certains potentiostats, c’est par défaut, mais pour les potentiostats conçus pour fonctionner avec un sol flottant, comme tous les modèles Gamry, cela se fait séparément.
la mise à la Terre n’est cependant pas toujours une bonne idée., Si vous faites une expérience avec une électrode mise à la terre, une cage de Faraday peut aider, mais pas si elle est liée à la même terre-terre. Si vous souhaitez utiliser une électrode mise à la terre dans une cage de Faraday, vous devez vous assurer que la cage de Faraday et la référence de masse du potentiostat—tout en restant connectés pour les raisons mentionnées précédemment—ne sont pas mis à la terre dans ce cas, votre potentiostat doit être capable de fonctionner au sol flottant.
quelle Cage de Faraday utiliser?
en fin de compte, une boîte en carton enveloppée dans une feuille d’aluminium donnera la même réduction du bruit qu’une boîte en or massif 24 carats, à condition que la continuité dans chacune soit la même. Alors, le papier d’aluminium Fonctionne-t-il comme une cage de Faraday? Oui. Bien sûr, le carton n’est probablement pas le matériau le plus robuste à utiliser, et l’or massif serait carrément stupide, mais vous obtenez le point.
la Figure 2., Gamry’s vistashield Faraday cage
alors, quel est le meilleur matériau pour une Cage Faraday?
le cadre en bois et le treillis en cuivre ou en aluminium sont courants pour la cage Faraday construite à la maison. Les boîtes en métal solide sont de bons choix, mais si vous n’en achetez pas une spécialement conçue pour un bon blindage électronique, faites très attention aux bords des portes et assurez-vous qu’il y a un bon contact électrique entre les côtés.
mise en garde pour les Cages de Faraday
Il arrive que les expérimentateurs doivent faire attention aux cages de Faraday., Parfois, lorsque vous travaillez avec de petits signaux, une capacité parasite notable se développe entre la cellule électrochimique à l’intérieur de la cage et la paroi de la cage de Faraday. Ci-dessous, vous pouvez voir les discontinuités de la capacité parasite sur un très petit signal EIS à l’intérieur d’une cage de Faraday:
Figure 3. EIS avec des discontinuités causées par la capacité parasite de la cage de Faraday.
ce phénomène est parfois observé avec de grands échantillons plats parallèles au plancher de la cage de Faraday., Cet effet apparaît même occasionnellement en utilisant notre cellule D’étalonnage à l’intérieur du Bouclier D’étalonnage!
pour minimiser la capacité parasite entre l’échantillon et la cage de Faraday, éloignez l’échantillon des parois vers le centre de la cage. Étendez l’échantillon du sol de la cage à l’aide d’un objet non conducteur (p. ex., un bloc de bois, un manuel).
résumé
utilisez une cage de Faraday chaque fois que votre expérience le permet, en particulier lorsque vous mesurez des courants inférieurs à ~1 µA ou des impédances supérieures à ~105 Ω., Assurez-vous qu’il est correctement mis à la terre: pour les utilisateurs de Gamry, cela signifie connecter le fil flottant à la cage de Faraday, puis soit mettre à la terre le potentiostat via la patte de terre si vous utilisez une série de référence, ou connecter le fil court de terre au fil flottant pour une série G.
lors de la construction ou de l’achat d’une cage de Faraday, assurez-vous qu’il accueillera les expériences que vous exécutez et que vous avez l’espace pour elle. N’oubliez pas la décharge de traction du câble(barre de support annulaire ou attaches à l’intérieur de la cage) et l’accès au gaz et à l’eau ainsi que le (s) câble (s) de la cellule., Si vous pensez que vous pouvez utiliser un agitateur magnétique, évitez les cages Faraday faites avec des matériaux magnétiques. Nous pensons qu’il est agréable de pouvoir vérifier les connexions et voir ce qui se passe à l’intérieur sans casser le blindage, nous avons donc une grande fenêtre en verre avec un revêtement conducteur sur notre Cage Vistashield Faraday.
Heureux d’expérimenter!
D. T. Sawyer, A. Sobkowiak et J. L. Roberts, électrochimie pour chimistes, 2e éd. John Wiley & Fils, 1995, p. 79.
