Impedanzspektrum

Impedanzspektrum bezeichnet die komplexe Impedanz Z(ω) eines Systems als Funktion der Anregungsfrequenz ω. Die Impedanz ist Z(ω) = V(ω)/I(ω) und besitzt Realteil Z' und Imaginärteil Z''. Typische Darstellungen sind der Nyquist-Plot (Z'' gegen Z') und der Bode-Plot (|Z| bzw. φ gegen die Frequenz f). Die Messung erfolgt meist mit einer kleinen Amplitude (linearer Bereich) über einen breiten Frequenzbereich; die Methode wird als Impedanzspektrumanalyse oder Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bezeichnet.

Die Auswertung beruht auf Ersatzschaltungen aus Widerständen, Kapazitäten, Induktivitäten, Constant-Phase-Elementen und Warburg-Elementen, die das reale System modellieren. Aus der Form des Nyquist- bzw. des Bode-Diagramms lassen sich physikalische Prozesse ableiten, z. B. eine semizirkelförmige Ringfläche im Nyquist-Diagramm, die sich auf die impedanzbedingte Kombination aus Poren, Grenzschichtkapazität und Charge-Transfer-Widerstand bezieht. Diffusionsprozesse ergeben oft lineare Warburg-Anteile im hohen oder tiefen Frequenzbereich.

Häufige Anwendungen finden sich in der Batterie‑ und Brennstoffzellenforschung, in der Korrosionsüberwachung, in der Materialcharakterisierung, Sensorik sowie in der Biomedizin. Typische Fehlerquellen sind nichtlineare oder zeitvariante Reaktionen, Polarisationseffekte, Kontakten, Parasiteneffekte und Messanordnung.

Impedanzspektrum bietet so eine vergleichsweise schnelle, spektrale Charakterisierung von Systemen und ermöglicht die Identifikation verschiedener Gesetzmäßigkeiten hinter Leitfähigkeit, Kapazität und Diffusion.