Wie sich der spezifische Widerstand von Materialien bestimmen lässt und was dabei zu beachten ist

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Der spezifische Widerstand an Isolatoren

Externe Störquellen ergeben sich durch Interferenzen – verursacht durch Motoren, Computerbildschirme oder andere elektrische Geräte. Sie können durch Abschirmungen, Filter oder einfach durch das Entfernen der Störquelle beseitigt werden.

Da diese Störquellen oft an die Netzfrequenz gekoppelt sind, sollten Testfrequenzen, die genauen Vielfachen oder Bruchteilen von 60 oder 50 Hz entsprechen, vermieden werden. Beim Einsatz von DC-Instrumenten und Umkehrverfahren kann das gleiche Ergebnis durch eine Integration der Messung für eine ganzzahlige Anzahl von Netzspannungszyklen erreicht werden.

Das Johnson Noise oder auch thermisches Rauschen reduzieren

In Widerständen führt die thermische Energie zu einer Bewegung geladener Teilchen. Diese Bewegungen verursachen ein thermisches Rauschen, dem so genannten Johnson Noise. Das thermische Rauschen kann verringert werden, indem die Bandbreite durch analoge oder digitale Filter oder eine geringere Temperatur des Bauteils reduziert wird.

Die meisten Digitalmultimeter können allerdings keine Spannungen im Bereich von einigen Mikro- oder Nanovolt messen, somit ist ein hochempfindliches Nanovoltmeter wie das Modell 2182A von Keithley mit einer Auflösung von 1 nV die bessere Wahl.

Sollen die spezifischen Widerstände von Isolatoren wie Papier, Gummi oder Kunststoff gemessen werden, kommen gänzlich andere Verfahren zum Einsatz. Der spezifische Widerstand eines Isolators wird bestimmt indem über eine bestimmte Zeit eine Spannung an die Probe angelegt, der resultierende Strom mit einem Elektrometer oder Picoamperemeter gemessen und dann der spezifische Widerstand auf der Basis des Ohmschen Gesetzes und der geometrischen Verhältnisse berechnet wird.

Spezifische Volumen- und Oberflächenwiderstände bei Isolatoren

Bei Isolatoren können sowohl spezifische Volumen- als auch Oberflächenwiderstände gemessen werden. Der Volumen-basierende spezifische Widerstand (spezifischer Durchgangswiderstand) ist ein Maß für den Leckstrom der durch den Isolator fließt. Die Elektroden werden auf der Ober- und Unterseite der zu testenden Probe positioniert (Bild 2).

Der High-Anschluss des Amperemeters wird auf der einen Seite der Probe und der High-Anschluss der Spannungsquelle wird auf der anderen Seite angeschlossen. Es ergibt sich damit eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden. Obwohl der Absolutwert der angelegten Spannung üblicherweise vom zu prüfenden Material abhängt, liegt diese meist bei 500 V_DC (gemäß ASTM D257). Nach einer vorgegebenen Aufladezeit, üblicherweise 60 s, wird der Strom mit einem Amperemeter gemessen, das Nanoampere oder weniger messen kann. Der spezifische Volumenwiderstand wird aus der Fläche der Elektroden (A) und der der Dicke der Probe berechnet:

Das Bild 3 zeigt die Testkonfiguration für die Messung des spezifischen Oberflächenwiderstands (σ), also dem elektrischen Widerstand auf der Oberfläche der Probe. Hier werden zwei Elektroden mit einer bekannten Entfernung untereinander auf der Oberfläche der Probe aufgebracht.

Der High-Anschluss des Amperemeters wird mit einer Elektrode und der High-Anschluss der Spannungsquelle mit der anderen verbunden. Dann wird eine Potenzialdifferenz über eine bekannte Dauer angelegt und mit dem Amperemeter der resultierende Strom gemessen. Der spezifische Widerstand wird mittels der Breite der Probe und der Entfernung zwischen den Elektroden berechnet:

Zu den möglichen Fehlerquellen bei der Charakterisierung des spezifischen Widerstands eines Isolators gehören die Auswahl eines Amperemeter ohne ausreichende Empfindlichkeit, eine ungeeignete Aufladezeit oder Prüfspannung, elektrostatische Interferenzen oder Hintergrundströme im Material durch gespeicherte Ladungen sowie statische oder triboelektrische Ladungen oder piezoelektrische Effekte.

Die Hintergrundströme außen vor lassen

Eine elektrostatische Interferenz tritt auf, wenn ein elektrisch geladenes Objekt einem ungeladenen Objekt genähert wird. Materialien mit hohem Widerstand entladen sich nur langsam, was instabile Messungen zur Folge haben kann. Eine elektrostatische Abschirmung kann diese Effekte minimieren. Daher sollte das Material mittels eines leitfähigen Gehäuses abgeschirmt und der Low-Anschluss des Amperemeters mit der Abschirmung verbunden werden.

Die Auswirkungen der Hintergrundströme reduzieren

Durch den Einsatz eines Messverfahrens mit wechselnder Polarität können die Auswirkungen der Hintergrundströme reduziert werden, die größer als die durch die angelegte Spannung verursachten Ströme sein können.

Bei diesem Verfahren wird eine Vorspannung mit positiver Polarität angelegt, dann wird der Strom nach einer vorgegebenen Verzögerung gemessen. Anschließend wird die Polarität umgekehrt und der Strom mit gleicher Verzögerung erneut gemessen.

Dieser Prozess lässt sich mehrfach wiederholen. Der Widerstand wird auf der Basis eines gewichteten Mittelwerts der letzten Strommessungen berechnet. Die mit "X" markierten Punkte im Diagramm in Bild 4 entsprechen dem gewichteten Mittelwert berechneten Strom der letzten Messungen. Dabei wird der Hintergrundstrom kompensiert.

Das Elektrometer Modell 6517B verfügt über eine Funktion, die dieses Verfahren mit wechselnder Polarität automatisiert.

Ein hochwertiges Elektrodensystem, das einen guten elektrischen Kontakt mit dem Messobjekt sicherstellt, ist dabei entscheidend. Leitfähiges Gummi auf den Elektroden gewährleistet einen guten elektrischen Kontakt zum Messobjekt, besonders wenn dieses ein relativ starres Material ist. Elektroden, die den Widerstand des Messkreises zusätzlich erhöhen oder das Messobjekt verunreinigen könnten, sollten nicht verwendet werden.

Stattdessen sollte eine Elektroden-Konfiguration ausgewählt werden, welche die Berechnung des spezifischen Widerstands aus dem gemessenen Widerstand erleichtert. Einige der kommerziell erhältlichen Systeme unterstützen das, wie beispielsweise die Resistivity Test Chamber Modell 8009.

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