Leitfähigkeit allgemein
Die elektrische Leitfähigkeit gibt als konstante physikalische Größe das Maß an, in dem Stoffe oder Stoffgemische elektrischen Strom leiten können. Der Wert ist für jedes Stoffgemisch und für jeden Stoff jeweils unterschiedlich groß.
Die Leitfähigkeit ist dabei aber eine physikalische Konstante, das heißt, ein bestimmter Stoff oder ein bestimmtes Stoffgemisch leitet elektrischen Strom immer gleich gut.
Rechnerisch ist die Leitfähigkeit wichtig zur Ermittlung von Stromdichte im Zusammenhang mit elektrischer Feldstärke. Der spezifische elektrische Widerstand eines Stoffs oder Stoffgemisches bildet exakt den Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit.
Das Formelzeichen für die elektrische Leitfähigkeit im technischen, physikalischen und chemischen Bereich kann unterschiedlich sein. Die Leitfähigkeit, oder exakt Konduktivität genannt, kann mit den griechischen Buchstaben Sigma, Kappa oder Gamma bezeichnet werden.
Einheiten für die elektrische Leitfähigkeit
Für die Angabe der Leitfähigkeit wird die SI-Einheit S/m (Siemens pro Meter) verwendet. Bei sehr geringen Leitfähigkeiten wird im technischen Bereich häufig auch die Leitfähigkeit in µS/cm angegeben.
Größenordnung elektrischer Leitfähigkeiten
Die besten elektrischen Leiter sind Metalle. Silber als bester Leiter hat eine Leitfähigkeit von 61.380.000 S/m, Edelstahl ungefähr ein Sechzigstel davon.
Wasser ist als Flüssigkeit ein wesentlich schlechterer Leiter. Meerwasser hat ungefähr einen Leitwert von 5 S/m, Reinstwasser einen Leitwert von 0,0000005 S/m.
Elektrische Leitfähigkeit in Flüssigkeiten
Die Leitfähigkeit hängt von der Anzahl frei verfügbarer, beweglicher Ladungsträger innerhalb der Flüssigkeit ab. Das sind Ionen, Salze und einzelne, gelöste Stoffe, die geladene Partikel darstellen.
Der große Unterschied in der Leitfähigkeit von Meerwasser im Vergleich zum Reinstwasser erklärt sich allein durch den Salzgehalt. Osmosewasser ist demgegenüber ein äußerst schlechter Leiter, ebenso VE-Wasser.
Werden Reinstwasser oder VE-Wasser rund 4 % Salz zugefügt, steigt die Leitfähigkeit bereits auf das Tausendfache.
Abhängigkeit von der Art der Ladungsträger
In Flüssigkeiten spielt aber nicht nur die Anzahl der frei beweglichen Ionen eine Rolle, sondern auch die Höhe der Ladung, die sie tragen.
So ist beispielsweise die Ladungsmenge von Magnesium 2+, während sie bei Calcium-Ionen lediglich 1+ beträgt. Erkennbar ist das an der Schreibweise der Ionen: Ca+ und Mg2+.
Daneben hat auch die Geschwindigkeit der einzelnen Ionensorten in Feldrichtung noch eine Auswirkung, diese Komponente ist bei dieser Betrachtung aber vernachlässigbar.
Als Schlussfolgerung ergibt sich, dass die Leitfähigkeit von Wasser nicht nur von der Menge der darin gelösten Ionen, sondern auch von der Art der darin gelösten Ionen abhängig ist. Nicht jedes Wasser leitet also gleich gut. Es kommt auf die spezifische mineralische Zusammensetzung an.
Technische Verwendung zur Reinheitsbestimmung
Bei destilliertem Wasser und bei demineralisiertem Wasser kann die elektrische Leitfähigkeit direkt als Maß der Reinheit verwendet werden.
Reinheit ist in diesem Fall aber nur als die Abwesenheit von geladenen Ionen und Partikeln im Wasser zu verstehen. Ungeladene Teilchen werden bei der Messung nicht erfasst und beeinflussen nicht das Meßergebnis.
Je geringer die elektrische Leitfähigkeit des Wassers, desto weniger Ionen sind vorhanden, und desto reiner ist damit das Wasser.
Auch der allgemeine Gehalt an Ionen und gelösten Salzen lässt sich anhand der Leitfähigkeit bei jedem Wasser gut abschätzen. Als Methode zur Bestimmung konkreter Werte wird die Leitfähigkeitsmessung bei normalem Wasser aber nur selten eingesetzt.
Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur
Alle Gase, Lösungen und Elektrolyte sind in ihrer Leitfähigkeit stark temperaturabhängig. Das gilt damit auch für Wasser mit darin gelösten Ionen. Die Anzahl der frei beweglichen Ionen und die Beweglichkeit der Ladungsträger steigt mit steigender Temperatur sehr deutlich. Damit nimmt auch die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur deutlich zu.
Ungenauigkeit bei höheren Konzentrationen
Durch die sogenannten interionischen Wechselwirkungen ergibt sich die Tatsache, dass bei höheren Konzentrationen einzelner oder aller Ionen der Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Ionen beziehungsweise Ladungsmenge zunehmend ungenauer wird.
Je mehr Ionen in einer Flüssigkeit – oder im Wasser – vorhanden sind, desto mehr bremsen sie sich gegenseitig. Die freie Ionenbeweglichkeit innerhalb der Flüssigkeit nimmt ab.
Messung der Leitfähigkeit
Die Leitfähigkeit kann mit einem dafür bestimmten Messgerät festgelegt werden. Alternativ dazu ist auch eine Messung des Spezifischen Widerstands in einer Flüssigkeit möglich, und damit rechnerisch die Ermittlung der jeweiligen Leitfähigkeit.
Für die Messung der Leitfähigkeit gibt es einfache Handgeräte. Sie messen die Leitfähigkeit zwischen zwei Testelektroden anhand der Abnahme der Strommenge zwischen Ausgangs- und Endstrom. Die Leitfähigkeit kann direkt auf einem Display abgelesen werden.
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