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Ob Kunststoff, Beschichtung, Folie, Gummi, Textil, Keramik oder Pulver: Die elektrischen Eigenschaften eines Materials können entscheidend dafür sein, ob es sich für eine bestimmte technische Anwendung eignet. Doch welche Messgröße ist die richtige? Oberflächenwiderstand, Volumenwiderstand, spezifischer Widerstand oder elektrische Leitfähigkeit?
Wer die Leitfähigkeit von Materialien messen und unterschiedliche Werkstoffe zuverlässig vergleichen möchte, sollte deshalb nicht nur einen Widerstandswert bestimmen. Entscheidend sind die richtige Messgröße, ein zum Widerstandsbereich passendes Messverfahren und definierte Messbedingungen.
Dieser Beitrag zeigt, wie sich leitfähige, ableitfähige und isolierende Materialien charakterisieren lassen und welche Messmethode für welche Fragestellung geeignet ist.
Warum die elektrischen Eigenschaften eines Materials wichtig sind
Elektrische Materialeigenschaften spielen in zahlreichen industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle. Besonders relevant sind sie beispielsweise in der Elektronik-, Automobil-, Halbleiter-, Kunststoff- und Werkstoffindustrie.
Je nach Anwendung werden dabei unterschiedliche Eigenschaften gefordert:
- Leitfähige Materialien sollen elektrische Ladungen beziehungsweise Ströme gut transportieren.
- Ableitfähige Materialien sollen elektrostatische Ladungen kontrolliert ableiten.
- Isolierende Materialien sollen den elektrischen Stromfluss möglichst stark begrenzen.
Bei ESD-Anwendungen (Electrostatic Discharge) kann beispielsweise eine definierte Ableitfähigkeit erforderlich sein, um elektrostatische Aufladungen zu vermeiden. Bei elektrischen Isolatoren ist dagegen ein möglichst hoher elektrischer Widerstand erwünscht. Leitfähige Kunststoffe oder Beschichtungen wiederum werden gezielt so entwickelt, dass sie einen definierten spezifischen Widerstand beziehungsweise eine definierte elektrische Leitfähigkeit erreichen.
Ob ein Material diese Anforderungen tatsächlich erfüllt, lässt sich jedoch nicht allein anhand seiner Bezeichnung oder Zusammensetzung beurteilen. Dafür müssen seine elektrischen Eigenschaften messtechnisch bestimmt werden.
Die zentrale Frage lautet daher:
Welche elektrische Messgröße beschreibt die für meine Anwendung relevante Materialeigenschaft?
Was bedeutet leitfähig, ableitfähig oder isolierend?
Die Begriffe leitfähig, ableitfähig und isolierend beschreiben, vereinfacht ausgedrückt, wie gut sich elektrische Ladungen in oder auf einem Material bewegen können.
Die folgende Übersicht zeigt die grundlegenden Unterschiede:
| Materialverhalten | Elektrische Eigenschaft | Typische Beispiele | Typische Fragestellung |
| Leitfähig | Niedriger elektrischer Widerstand, hohe Leitfähigkeit | Leitfähige Kunststoffe, Carbonmaterialien, leitfähige Beschichtungen | Erreicht das Material die geforderte Leitfähigkeit? |
| Ableitfähig | Elektrische Ladungen werden kontrolliert abgeleitet | ESD-Kunststoffe, Verpackungen, Arbeitsmatten, Bodenbeläge | Werden elektrostatische Ladungen ausreichend abgeleitet? |
| Isolierend | Hoher elektrischer Widerstand | Standardkunststoffe, Glas, Keramiken, Isolierbeschichtungen | Ist die elektrische Isolation ausreichend hoch? |
Die Tabelle dient dabei als grundsätzliche Orientierung. Die konkrete elektrische Einordnung eines Materials sollte immer anhand der jeweiligen Anwendung und der dafür relevanten Norm, Prüfvorschrift oder Spezifikation erfolgen.
Leitfähige Materialien
Leitfähige Materialien besitzen einen vergleichsweise niedrigen elektrischen Widerstand. Elektrische Ladungen können sich entsprechend gut durch das Material bewegen.
Zu den klassischen Leitern gehören Metalle. Aber auch Kunststoffe, Beschichtungen und andere Werkstoffe können beispielsweise durch Carbon Black, Graphit, Kohlenstofffasern oder andere leitfähige Bestandteile elektrisch leitfähig eingestellt werden.
Bei der Entwicklung und Qualitätssicherung solcher Materialien ist häufig eine definierte und reproduzierbare elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise ein definierter spezifischer Widerstand gefordert.
Ableitfähige Materialien
Ableitfähige Materialien sollen elektrische Ladungen nicht vollständig blockieren, sondern kontrolliert ableiten.
Diese Eigenschaft ist insbesondere bei ESD-Materialien von Bedeutung. Ableitfähige Kunststoffe, Verpackungen, Arbeitsmatten, Bodenbeläge oder Beschichtungen können dazu beitragen, elektrostatische Ladungen kontrolliert abzuleiten und unkontrollierte elektrostatische Entladungen zu vermeiden.
Die konkrete Einordnung eines Materials als leitfähig, ableitfähig oder isolierend sollte dabei immer anhand der für die jeweilige Anwendung relevanten Norm, Prüfvorschrift oder Spezifikation erfolgen.
Isolierende Materialien
Isolierende Materialien besitzen einen hohen elektrischen Widerstand und begrenzen den elektrischen Stromfluss stark. Typische Beispiele sind viele Standardkunststoffe, Glas, Keramiken und verschiedene Beschichtungen.
Ein hoher Widerstand ist in zahlreichen Anwendungen ausdrücklich erwünscht. Entsprechend wichtig ist es, auch sehr hohe Widerstände zuverlässig und reproduzierbar bestimmen zu können.
Gerade bei hochohmigen Materialien können allerdings bereits Feuchtigkeit, Verschmutzungen oder Veränderungen der Umgebungsbedingungen das Messergebnis beeinflussen.
Widerstand oder spezifischer Widerstand – wo liegt der Unterschied?
Ein gemessener elektrischer Widerstand ist zunächst keine reine Materialeigenschaft. Das Messergebnis kann unter anderem durch die Geometrie der Probe, die Elektrodenanordnung und den Messaufbau beeinflusst werden.
Für die Charakterisierung und den Vergleich unterschiedlicher Materialien sind deshalb materialbezogene Kennwerte wie der spezifische Widerstand besonders relevant.
Vereinfacht gesagt:
Der Widerstand beschreibt eine konkrete Probe beziehungsweise einen konkreten Messaufbau. Der spezifische Widerstand ermöglicht eine materialbezogene Bewertung unter Berücksichtigung der jeweiligen Messgeometrie.
Aus dem spezifischen Widerstand lässt sich wiederum die spezifische elektrische Leitfähigkeit bestimmen. Widerstand und Leitfähigkeit stehen dabei in einem inversen Zusammenhang: Je niedriger der spezifische Widerstand, desto höher ist die elektrische Leitfähigkeit.
Für die Materialcharakterisierung können insbesondere folgende Mess- und Kenngrößen relevant sein:
- elektrischer Widerstand
- Oberflächenwiderstand
- Volumenwiderstand
- spezifischer Oberflächenwiderstand
- spezifischer Volumenwiderstand
- spezifischer Widerstand
- spezifische elektrische Leitfähigkeit
Welche davon benötigt wird, hängt von der Materialart, der Probengeometrie und vor allem von der konkreten technischen Fragestellung ab.
Oberflächenwiderstand oder Volumenwiderstand?
Eine der wichtigsten Entscheidungen bei der elektrischen Materialprüfung lautet:
Soll das elektrische Verhalten an der Oberfläche oder durch das Material hindurch untersucht werden?
Was ist der Oberflächenwiderstand?
Der Oberflächenwiderstand beschreibt das elektrische Verhalten entlang der Oberfläche eines Materials. Er ist beispielsweise bei Folien, Beschichtungen, Kunststoffoberflächen und zahlreichen ESD-Materialien relevant.
Bei oberflächenbehandelten Materialien kann diese Messung besonders wichtig sein. Eine leitfähige Beschichtung kann beispielsweise einen niedrigen Oberflächenwiderstand erzeugen, obwohl das darunterliegende Grundmaterial elektrisch isolierend ist.
Was ist der Volumenwiderstand?
Der Volumenwiderstand beschreibt dagegen das elektrische Verhalten durch das Material beziehungsweise den Materialkörper hindurch.
Er ist beispielsweise relevant, wenn die elektrischen Eigenschaften eines Kunststoffs, einer Keramik oder eines anderen Isolier- beziehungsweise Funktionswerkstoffs nicht nur an dessen Oberfläche untersucht werden sollen.
Oberflächen- und Volumenwiderstand können daher bei derselben Materialprobe unterschiedliche Informationen liefern.
Oberflächenwiderstand, Volumenwiderstand oder spezifischer Widerstand – was muss ich messen?
Die geeignete Messgröße ergibt sich nicht allein aus der Materialart. Entscheidend ist vor allem, welche elektrische Eigenschaft untersucht werden soll. Die folgende Übersicht dient als erste Orientierung:
| Was möchte ich bestimmen? | Geeignete Messgröße | Typische Materialien / Anwendungen |
| Elektrisches Verhalten entlang der Oberfläche | Oberflächenwiderstand / spezifischer Oberflächenwiderstand | Folien, Beschichtungen, ESD-Oberflächen, Kunststoffe |
| Elektrisches Verhalten durch das Material | Volumenwiderstand / spezifischer Volumenwiderstand | Kunststoffe, Keramiken, Isoliermaterialien |
| Materialbezogene Leitfähigkeit | spezifischer Widerstand / elektrische Leitfähigkeit | Leitfähige Kunststoffe, Carbonmaterialien, Funktionswerkstoffe |
| Elektrisches Verhalten von Pulvern unter Verdichtung | spezifischer Widerstand | Carbon Black, Graphit und andere Pulver |
Diese Zuordnung dient als erste Orientierung. Für eine belastbare Messung müssen zusätzlich der erwartete Widerstandsbereich, die Probengeometrie, das Elektrodenprinzip und gegebenenfalls anzuwendende Normen oder Prüfvorschriften berücksichtigt werden.
Wie wird die Leitfähigkeit von Materialien gemessen?
Das geeignete Messverfahren hängt wesentlich vom erwarteten Widerstandsbereich ab.
Bei niederohmigen beziehungsweise leitfähigen Materialien wird häufig eine Vierpunkt- beziehungsweise 4-Punkt-Messung eingesetzt. Dabei werden Strom- und Spannungsmessung voneinander getrennt. Dadurch lässt sich insbesondere der Einfluss von Kontakt- und Zuleitungswiderständen auf das Messergebnis reduzieren.
Bei hochohmigen beziehungsweise isolierenden Materialien sind andere Messprinzipien und Elektroden erforderlich. Hier können beispielsweise Oberflächen- oder Volumenwiderstandsmessungen mit dafür ausgelegten Messköpfen durchgeführt werden.
Entscheidend ist deshalb nicht nur das Messgerät. Auch der eingesetzte Messkopf beziehungsweise die Elektrodenanordnung muss zur Materialprobe und zur gewünschten Messgröße passen.
Warum reicht ein Multimeter für die Materialcharakterisierung häufig nicht aus?
Mit einem Multimeter lässt sich ein elektrischer Widerstand grundsätzlich messen. Für eine reproduzierbare und vergleichbare Charakterisierung elektrischer Materialeigenschaften reicht eine einfache Messung mit zwei Messspitzen jedoch häufig nicht aus.
Das Messergebnis kann unter anderem beeinflusst werden durch:
- Kontaktwiderstände
- Position und Abstand der Elektroden
- Anpressdruck
- Geometrie und Dicke der Probe
- Beschaffenheit der Materialoberfläche
- Messspannung
- Temperatur
- Luftfeuchtigkeit
Werden beispielsweise zwei Proben an unterschiedlichen Positionen oder mit unterschiedlichem Elektrodenabstand gemessen, können unterschiedliche Widerstandswerte entstehen, obwohl das eigentliche Material identisch ist.
Für Materialentwicklung, Wareneingangsprüfung und Qualitätssicherung sind deshalb definierte und reproduzierbare Messbedingungen erforderlich.
Welche Faktoren beeinflussen die Widerstandsmessung?
Die elektrischen Eigenschaften vieler Materialien reagieren empfindlich auf ihre Umgebung und Verarbeitung.
Temperatur und Luftfeuchtigkeit
Insbesondere bei hochohmigen Materialien kann die Luftfeuchtigkeit einen erheblichen Einfluss auf das Messergebnis haben. Feuchtigkeit auf beziehungsweise in einem Material kann dessen gemessenen Widerstand deutlich verändern.
Auch die Temperatur kann die elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise den Widerstand eines Werkstoffs beeinflussen.
Materialzusammensetzung
Bei leitfähigen Kunststoffen beeinflussen Art, Konzentration und Verteilung der leitfähigen Füllstoffe die elektrischen Eigenschaften. Veränderungen der Rezeptur oder des Herstellungsprozesses können deshalb messbare Auswirkungen auf den spezifischen Widerstand haben.
Oberfläche und Beschichtung
Bei Beschichtungen können unter anderem Schichtdicke, Homogenität und Verteilung leitfähiger Bestandteile relevant sein. Auch Verschmutzungen oder Rückstände auf der Oberfläche können das Messergebnis beeinflussen.
Probengeometrie und Elektrodenkontakt
Abmessungen, Dicke und Form der Probe sowie Position, Kontaktierung und Anpressdruck der Elektroden müssen beim Messaufbau berücksichtigt werden.
Für vergleichbare Ergebnisse sollten Messungen deshalb unter möglichst definierten und reproduzierbaren Bedingungen erfolgen. Wie Messabweichungen entstehen kann hier nachgelesen werden.
Widerstandsmessung in Entwicklung und Qualitätssicherung
Die elektrische Materialcharakterisierung ist nicht nur bei der Entwicklung neuer Werkstoffe relevant.
Auch in der industriellen Qualitätssicherung können regelmäßige Widerstandsmessungen wertvolle Informationen über Materialien und Produktionsprozesse liefern.
Damit lassen sich beispielsweise:
- Materialchargen vergleichen,
- Produktionsschwankungen erkennen,
- vorgegebene Grenzwerte überprüfen,
- Beschichtungen kontrollieren,
- ESD-Eigenschaften überwachen und
- Veränderungen von Materialrezepturen bewerten.
Der spezifische Widerstand kann damit zu einer wichtigen Kenngröße für die Entwicklung und Qualitätssicherung elektrisch funktionaler Materialien werden.
Welches Messgerät eignet sich für welches Material?
Für die Auswahl eines geeigneten Messsystems sind vor allem der erwartete Widerstandsbereich, die gewünschte Messgröße und die Materialart entscheidend.
Die folgende Übersicht zeigt die grundsätzliche Zuordnung der Messsysteme:
| Messaufgabe | Material / Widerstandsbereich | Messsystem | Typische Anwendungen |
| Niederohmige Widerstandsmessung | Leitfähige Materialien | Loresta-Serie | Leitfähige Kunststoffe, Folien, Beschichtungen, Carbonmaterialien |
| Hochohmige Widerstandsmessung | Isolierende / hochohmige Materialien | Hiresta-UX | Kunststoffe, Folien, Beschichtungen, Keramiken, Isoliermaterialien |
| Widerstandsmessung an Pulvern | Pulverförmige Materialien unter definierter Verdichtung | PD-600 | Carbon Black, Graphit und andere Pulvermaterialien |
Niederohmige und leitfähige Materialien
Für niederohmige Materialien können Messsysteme der Loresta-Serie eingesetzt werden. Sie sind für die Charakterisierung leitfähiger Materialien und die Bestimmung niedriger spezifischer Widerstände ausgelegt.
Typische Anwendungen sind beispielsweise leitfähige Kunststoffe, Beschichtungen, Folien und Carbon-basierte Materialien.
Hochohmige und isolierende Materialien
Für hohe Widerstände und isolierende Materialien eignet sich ein entsprechendes Hochohm-Messsystem wie das Hiresta-UX.
Damit können – abhängig vom eingesetzten Messkopf und Messaufbau – Oberflächen- und Volumenwiderstände beziehungsweise entsprechende spezifische Widerstände an unterschiedlichen Materialproben untersucht werden.
Pulverförmige Materialien
Pulver stellen aufgrund ihrer losen Struktur eine besondere Herausforderung dar. Ihre elektrischen Eigenschaften können unter anderem von der Verdichtung des Materials abhängen.
Mit dem PD-600 Pulvermesssystem lässt sich der spezifische Widerstand von Pulvermaterialien unter definierten Druckbedingungen untersuchen.
Für die konkrete Auswahl des Messgeräts und Messkopfes sollten deshalb immer Material, Probengeometrie, erwarteter Widerstandsbereich und gewünschte Messgröße gemeinsam betrachtet werden.
Das Wichtigste auf einen Blick
Wer die elektrischen Eigenschaften eines Materials bestimmen möchte, sollte zunächst klären, welche Eigenschaft für die jeweilige Anwendung relevant ist.
Die entscheidenden Fragen sind:
- Soll die Oberfläche oder das Materialvolumen untersucht werden?
- Wird ein einfacher Widerstand oder ein materialbezogener spezifischer Widerstand benötigt?
- In welchem Widerstandsbereich liegt das Material voraussichtlich?
- Welches Messverfahren und welche Elektroden eignen sich für diesen Bereich?
- Welche Umgebungs- und Messbedingungen müssen kontrolliert werden?
Erst die Kombination aus geeigneter Messgröße, passendem Messverfahren, geeigneten Elektroden und definierten Messbedingungen ermöglicht eine belastbare Bewertung.
So lässt sich zuverlässig beurteilen, ob ein Material die geforderten leitfähigen, ableitfähigen oder isolierenden Eigenschaften besitzt.
Häufig gestellte Fragen zur Leitfähigkeitsmessung von Materialien
Ein Material wird als leitfähig bezeichnet, wenn elektrische Ladungen beziehungsweise elektrischer Strom vergleichsweise gut durch das Material transportiert werden können. Leitfähige Materialien besitzen entsprechend einen niedrigen spezifischen Widerstand beziehungsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die konkrete Einordnung sollte anhand der jeweiligen Anwendung, Norm oder Prüfvorschrift erfolgen.
Ableitfähige Materialien ermöglichen eine kontrollierte Ableitung elektrischer Ladungen. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei ESD-Anwendungen wichtig, bei denen elektrostatische Aufladungen und unkontrollierte Entladungen vermieden werden sollen.
Ein isolierendes Material besitzt einen hohen elektrischen Widerstand und begrenzt den elektrischen Stromfluss stark. Typische Beispiele sind viele Kunststoffe, Glas und Keramiken.
Der Oberflächenwiderstand beschreibt das elektrische Verhalten entlang der Oberfläche eines Materials. Der Volumenwiderstand beschreibt dagegen das elektrische Verhalten durch das Material beziehungsweise den Materialkörper hindurch. Welche Messgröße relevant ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Für eine einfache orientierende Widerstandsmessung kann ein Multimeter geeignet sein. Für die reproduzierbare Materialcharakterisierung reicht eine Messung mit zwei Messspitzen jedoch häufig nicht aus, da unter anderem Kontaktwiderstände, Elektrodenabstand, Anpressdruck und Probengeometrie das Ergebnis beeinflussen.
Sie möchten die elektrischen Eigenschaften Ihres Materials bestimmen?
Nicht immer ist auf Anhieb klar, ob Oberflächenwiderstand, Volumenwiderstand oder spezifischer Widerstand die richtige Messgröße ist – und welches Messverfahren dafür eingesetzt werden sollte.
NH Instruments unterstützt Sie bei der Auswahl des geeigneten Messverfahrens, Messsystems und Messkopfes für Ihre Anwendung.
Darüber hinaus können Materialproben im Rahmen unserer Dienstleistungen zur Leitfähigkeits- und Widerstandsmessung untersucht werden. So lässt sich bereits vor der Investition in ein eigenes Messsystem klären, welches Verfahren für Ihr Material geeignet ist.
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