Oberflächenwiderstand

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Oberflächenwiderstand

Definition des Oberflächenwiderstandes

Der Oberflächenwiderstand ist als der Quotient einer zwischen zwei Elektroden angelegten elektrischen Spannung und der zwischen diesen Elektroden gemessenen Stromstärke definiert, wobei beide Elektroden auf der gleichen Fläche aufgesetzt sind.
Die elektrische Spannung, die üblicherweise eine Gleichspannung ist, wird innerhalb einer gegebenen Zeitspanne angelegt. Dabei werden mögliche Polarisationserscheinungen an den Elektroden vernachlässigt. Der Oberflächenwiderstand ist ein Maß für die Isolationsfähigkeit der Kunststoffoberfläche, wobei zu beachten ist, dass ein Teil des Stromes auch durch oberflächennahe Volumenschichten fließt und somit keine exakte Aussage zum Stromfluss an der Oberfläche erhalten wird.

Messaufbau zur Ermittlung des Oberflächenwiderstandes

An den Prüfkörper, der aus einem Kunststoff bzw. Elastomer besteht und dessen eine Oberfläche eben und planparallel ausgeführt sein muss, werden an dieser Fläche zwei ringförmige, konzentrische Plattenelektroden angelegt. Bei vorgegebener Spannung U, deren Wert in Bezug auf den Abstand der Elektroden unterhalb der Überschlagsspannung (an der Luft) liegen muss, und konstanter Stromstärke I wird der Widerstandswert R_O ermittelt.
Der Oberflächenwiderstand wird nach dem Messaufbau in Bild 1 bestimmt. Dabei ist U die Betriebsspannung und R_V ein veränderbarer Widerstand, mit dem die Messspannung U_V an den beiden Elektroden des Messkondensators, in dem sich das zu prüfende Dielektrikum befindet, eingestellt werden kann.

Bild 1:

Prinzipskizze für die Messung des Oberflächenwiderstandes

Zur Homogenisierung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden und der Vermeidung der damit hervorgerufenen Messfehler (siehe Messgenauigkeit und Messunsicherheit) wird die Ringelektrode als Anode geschaltet (siehe: Bild 1) und die mittlere sowie die gegenüberliegende Elektrode als Kathode.
Typische Kunststoffe für die Prüfung des Oberflächenwiderstandes sind Isoliermaterialien wie z. B. aus Polyethylen (Kurzzeichen: PE), Polyvinylchlorid (Kurzzeichen: PVC), Polyester (Kurzzeichen: PES), Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen: PTFE bzw. Teflon) sowie Elastomere.
Die elektrischen Kennwerte spezifischer Oberflächenwiderstand und spezifischer Durchgangswiderstand werden mit einem hochohmigen Widerstandsmessgerät mit angeschlossenem Messkondensator bestimmt. Signifikante Unterschiede des Oberflächenwiderstands sind nur dann gegeben, wenn untersuchte Werkstoffe sich in diesem Kennwerte um mindestens eine Größenordnung unterscheiden.
An der Oberfläche von Isolierstoffen bilden sich oft Schichten von Schmutzablagerungen, Reaktionsprodukten mit der Atmosphäre und ein Wasserfilm, welche den Widerstand stark herabsetzen. Der Oberflächenwiderstand beträgt deshalb oft nur 1 % des Durchgangswiderstandes.

Spezifischer Oberflächenwiderstand

Zur Bestimmung des spezifischen Oberflächenwiderstandes ρ ist der Oberflächenwiderstand R_x mit dem Quotienten aus dem effektiven Umfang p (siehe: Gl. 1) und dem Abstand der Ringelektrode zur inneren Elektrode g zu multiplizieren (Gl. 2).

$p=\pi (d_{1}+g)\!$

(1)

$\rho =R_{x}\cdot {\frac {p}{g}}$

(2)

Literaturhinweise

• Hellerich, W., Harsch, G., Baur, E.: Werkstoffführer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. Carl Hanser Verlag, München Wien (2010) 10. Auflage (ISBN 978-3-446-42436-4; siehe: AMK-Büchersammlung unter G 37)
• DIN IEC 60093 (1993-12): Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen (IEC 60093:1980), Deutsche Fassung HD 429 S1:1983 (VDE 0303-30: 1993-12) (zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN 62631-3-1 (2017-01))
• DIN EN 62631-3-1 (2021-02): Dielektrische und resistive Eigenschaften fester Elektroisolierstoffe – Teil 3-1: Bestimmung resistiver Eigenschaften (Gleichspannungsverfahren) – Durchgangswiderstand und spezifischer Durchgangswiderstand – Basisverfahren (identisch mit VDE 0307-3-1: 2021-02)
• DIN EN 62631-3-2 (2016-10): Dielektrische und resistive Eigenschaften fester Isolierstoffe – Teil 3-2: Bestimmung resistiver Eigenschaften (Gleichspannungsverfahren) – Oberflächenwiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand (IEC 62631-3-2:2015); (identisch mit VDE 0307-3-2: 2016-10)
• DIN EN 3475-304: (2002-08): Luft- und Raumfahrt – Elektrische Leitungen für Luftfahrt, Verwendung; Prüfverfahren – Teil 304: Oberflächenwiderstand
• Schönhals, A.: Elektrische und dielektrische Eigenschaften. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 357–397 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
• Fischer, H., Hofmann, H., Spindler, J.: Werkstoffe in der Elektrotechnik: Grundlagen – Aufbau – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung – Technologie. Carl Hanser Verlag, München Wien (2007) 6. Auflage, (ISBN 978-3-446-40707-7; 3. Auflage (1987) (siehe AMK-Büchersammlung unter L 18))