Elektrische Leitfähigkeit – was ist das?

Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt, wie gut ein Material Strom leiten kann. Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser – oft auch einfach Wasserleitfähigkeit genannt – bezeichnet daher die Fähigkeit von Wasser, elektrischen Strom zu übertragen.

Ionen oder Elektronen? Wasserwiderstand

In Metallen entsteht der Stromfluss durch die Bewegung von Elektronen. In wässrigen Lösungen hingegen übernehmen Ionen den Transport der elektrischen Ladung. Sie entstehen, wenn sich Salze, Säuren oder Basen im Wasser lösen. Die Leitfähigkeit hängt dabei direkt von der Menge dieser Ionen ab: Je mehr geladene Teilchen in einer Flüssigkeit vorhanden sind, desto besser kann sie Strom leiten.

Leitfähigkeitsmessung

Das Gerät erzeugt eine elektrische Spannung in der zu messenden Lösung. Dadurch fließt ein Strom durch die Lösung, dessen Stärke von der Leitfähigkeit abhängt. Je nach Messmethode oder Anwendung hält das Gerät entweder (1) eine konstante Spannung aufrecht und erfasst die Veränderung des elektrischen Stroms oder (2) hält einen konstanten Strom aufrecht und wertet die Änderung der Spannung aus.

Das Ohmsche Gesetz und die Leitfähigkeit von Wasser

Beide Messmethoden basieren auf dem Ohmschen Gesetz. Bei konstanter Spannung steigt die Stromstärke proportional zur Leitfähigkeit. Wird hingegen ein konstanter Strom aufrechterhalten, sinkt die Spannung mit zunehmender Leitfähigkeit.

Aus dem Ohmschen Gesetz folgt, dass es sich bei Leitfähigkeitsmessungen im Grunde um Widerstandsmessungen handelt. Der Leitfähigkeitswert I/U wird daher als Kehrwert des gemessenen Widerstands ermittelt.

Polarisation und elektrische Leitfähigkeit

Der elektrische Strom zwischen den Elektroden hängt von der Bewegung der Ionen in der zu messenden Lösung ab. Während der Leitfähigkeitsmessung wandern die Ionen jeweils zu der Elektrode, die in diesem Moment entgegengesetzt geladen ist. Jedes Ion, das die Oberfläche einer Elektrode erreicht, trägt dazu bei, einen Teil der Spannung zwischen den Elektroden auszugleichen. Da es anschließend nicht mehr beweglich ist, hemmt es den weiteren Stromfluss.

Dieser Effekt, die sogenannte Polarisation, kann durch den Einsatz von Wechselspannung reduziert werden. Durch den kontinuierlichen Wechsel der Polarität gelangen nur wenige Ionen an die Elektroden – und wenn doch, dann nur sehr kurz. Je mehr Ionen die Lösung enthält, also je höher ihre Leitfähigkeit ist, desto höher muss die Frequenz sein, mit der das Messgerät arbeitet, um eine Polarisation der Elektroden zu vermeiden.

Elektrolytische Leitfähigkeit – wovon hängt sie ab?

Die Leitfähigkeit von Wasser wird beeinflusst durch:

• den Grad der Verunreinigung – je stärker eine Flüssigkeit verunreinigt ist, desto höher ist ihre Leitfähigkeit. Reines Wasser hingegen ist nahezu nicht leitfähig.
• die Temperatur – für eine korrekte Messung muss die Temperatur der Lösung bekannt sein, da die Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist. Eine Temperaturerhöhung um 1 °C steigert die Beweglichkeit der Ionen und führt damit zu einer höheren Leitfähigkeit: etwa um 2 % bei Leitungswasser und etwa 6 % bei hochreinem Wasser. Die Temperatur kann entweder automatisch mithilfe eines Temperatursensors (z. B. Pt 100 oder Pt 1000) erfasst oder manuell durch den Benutzer eingestellt werden (Temperaturkompensation).

Messziele

2-Elektroden-Leitfähigkeitszelle

Zwei‑Elektroden‑Messzellen sind die einfachste Bauform einer Leitfähigkeitsmesszelle. Sie bestehen aus zwei Elektroden und einer Hülle, in der beide Elektroden fixiert sind. Zwischen den Elektroden wird eine konstante Wechselspannung angelegt. Das Messsignal ist der Strom, der durch die zu messende Lösung fließt.

Zwei‑Elektroden‑Messzellen sind für industrielle Messungen vollkommen ausreichend. Die Art, Stabilität und Beschaffenheit der Elektrodenoberfläche hängt von der jeweiligen spezifischen Anwendung ab, für die die Zelle eingesetzt werden soll.

4-Elektroden-Leitfähigkeitszelle

4‑Elektroden‑Messzellen verfügen über zwei Elektrodenpaare. Ein Paar dient zur Strommessung, das andere zur Messung der an die Lösung angelegten Spannung. Diese Bauweise zeichnet sich durch eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen aus, die beispielsweise durch lange Verbindungskabel, Verunreinigungen oder Polarisation entstehen können. Solche Einflüsse würden normalerweise zu niedrigeren Messwerten führen, da sie die tatsächlich anliegende Spannung reduzieren.

Das zweite Elektrodenpaar misst die Spannung direkt in der Lösung und ermöglicht so eine präzise Bestimmung der Leitfähigkeit. Auf dieser Grundlage kann das Messgerät die Störwiderstände elektronisch kompensieren, indem es die gemessenen Strom‑ und Spannungswerte der beiden Elektrodenpaare miteinander vergleicht.

Leitfähigkeitsmessung – Anwendungen

Die Konduktometrie wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Leitfähigkeitsmessungen sind unter anderem für industrielle Prozesse und den Umweltschutz von großer Bedeutung. Je nach Einsatzbereich kann die Messung im Labor, vor Ort mit einem Handmessgerät oder kontinuierlich in einer Prozessumgebung erfolgen.

Elektrolytische Leitfähigkeitsmessungen werden unter anderem an folgenden Orten durchgeführt:

• Kläranlagen
• Zinkwerken
• Getränkeabfüllanlagen
• pharmazeutische Produktion
• Kraftwerken
• Entsalzungsanlagen

Die Leitfähigkeit ist ein wichtiges Instrument zur Überwachung verschiedener Arten von Wasser – darunter reines, destilliertes oder entionisiertes Wasser, Trinkwasser, natürliches Wasser sowie Prozess- und chemisch behandeltes Wasser – sowie zur Kontrolle anderer Lösungsmittel und der Konzentration gelöster Feststoffe. Für Messungen mit niedriger Leitfähigkeit sollte ein Sensor mit einer niedrigen Zellkonstante (0,01–0,1 cm⁻¹) verwendet werden, während für mittlere und hohe Leitfähigkeit ein Sensor mit einer hohen Zellkonstante (0,5–1,0 cm⁻¹) empfohlen wird.

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