Leitfähigkeitsmessung

Oft ist es wichtig, die Leitfähigkeit einer Elektrolyt-Lösung zu kennen. Wie auch ein metallischer Leiter besitzt eine Elektrolyt-Lösung einen Widerstand, der sich experimentell bestimmen lässt. Über den gemessenen Widerstand kann man dann auf die Leitfähigkeit zurückrechnen (siehe Leitfähigkeit). Die praktische Messung erfolgt über eine so genannte Wheatstone'sche Brücke, die im folgenden erklärt wird. Um diese elektrische Schaltung besser zu verstehen, werden zunächst einige elektrische Grundregeln erklärt.

Die Messung einer Elektrolyt-Lösung sollte Ohm'sches Verhalten zeigen, da der der Widerstand der Elektrolyt-Lösung ein Ohm'scher Widerstand ist. Legt man aber Gleichspannung an, erhält man keine typische Kennlinie. Dieses Verhalten ist den beiden Elektroden zuzuschreiben, die in die Lösung tauchen. Sie können als zwei nichtlineare Widerstände beschrieben werden, die mit dem Elektrolyt-Widerstand in Reihe liegen. Diese Elektrodenwiderstände müssen für die Messung eliminiert werden. Praktisch geschieht dies durch Wechselstrommessungen. Beim Anlegen einer Spannung bildet sich an den Elektroden durch Zuwanderung entgegengesetzt geladener Ionen eine sogenannte elektrolytische Doppelschicht aus. Durch die angelegte Wechselspannung werden die Doppelschichten an den Elektroden im Rhytmus der Wechselspannung umgeladen, es kann sich kein Elektrodenwiderstand mehr aufbauen.

Schaltung von Widerständen

Schaltet man in einem Stromkreis Widerstände in Reihe (auch in Serie genannt), addieren sich die einzelnen Widerstände zu einem Gesamtwiderstand:

Werden in einem Stromkreis dagegen die Widerstände parallel geschaltet, addiert man deren Leitwerte zum Gesamtwiderstand:

	Abbildung 18 Reihenschaltung (links) und Parallelschaltung (rechts) von Widerständen.

Kirchhoff'sche Gesetze

Für kompliziertere Schaltungen hat Kirchhoff zwei Regeln aufgestellt:

1. Kirchhoff'sches Gesetz (Knotenregel)

In jedem Verzweigungspunkt (Knoten) in einer Schaltung muss ebensoviel Ladung zu- wie abfließen. Die Summe der Ströme ist im Knoten null. Zufließende Ströme werden dabei positiv gezählt, abfließende negativ.

2. Kirchhoff'sches Gesetz (Maschenregel)

In einem unverzweigten Stromkreis bzw. in jeder Masche eines verzweigten Netzwerkes ist die algebraische Summe aller Quellspannungen U_q gleich der Summe aller inneren und äußeren Spannungsabfälle U.

	Abbildung 19: Kirchhoff'sche Schaltungen für Knoten (links) und Maschen (rechts).

Wheatstone'sche Brückenschaltung

Die Wheatstone'sche Brückenschaltung eignet sich zu Bestimmung eines unbekannten Widerstandes in einer elektrischen Schaltung. Unter Anwendung der Kirchhoff'schen Gesetze gilt, wenn zwischen den Punkten C und D in Abbildung 20 kein Strom fließt:

Ist ein Widerstand unbekannt (z.B. R₄), so lässt sich dieser aus den restlichen berechnen. Von R₁ und R₂ muss nur ihr Verhältnis bekannt sein. Der variable Widerstand R₃ dient zum genauen Nullabgleich. Der Abgleich erfolgt meist über einen Verstärker und ein Oszillograph.

	Abbildung 20: Wheatstone'sche Brückenschaltung zur Bestimmung eines unbekannten Widerstandes.

Moderne Leitfähigkeitsmessgeräte nehmen den Abgleich automatisch vor und zeigen die Leitfähigkeit direkt an. Abbildung 21 zeigt eines der heute gängigen Messgeräte.

	Abbildung 21: Gängige Messzelle zur schnellen Bestimmung der elektrolytischen Leitfähigkeit.