Übergangswiderstand

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Übergangswiderstand

Der Übergangswiderstand ist ein elektrischer Widerstand, der auftritt, wenn ein elektrischer Strom von einem elektrischen Leiter in einen anderen elektrisch leitenden Leiter übertritt.

Der Übergangswiderstand R_U setzt sich zusammen aus den Kontaktwiderständen R_{K1}, R_{K2} und den Widerstand des Übergangsstoffes R_{St}. Besteht zwischen den zwei Leitern ein direkter Kontakt ohne dazwischenliegenden Übergangsstoff, werden nur die Anteile der Kontaktwiderstände wirksam und der Anteil des Übergangsstoffes entfällt.

Der Übergangswiderstand ist dann von Bedeutung, wenn er im Vergleich zu den übrigen Widerständen im Stromkreis groß ist oder er das Verhalten einer elektrischen Schaltung etwa durch Schwankungen beeinflusst.

Konkrete Fälle[Bearbeiten]

Verschmutzte, oxidierte oder ungenügend angepresste Steck-, Einschraub-, Schraubklemm- oder Schaltkontakte und deren Bewegung bringen unzuverlässige Kontaktierung mit sich. Häufige Knickbelastung eines Kabels an wiederholt derselben Stelle kann innerhalb der Isolierumhüllung zum Brechen aller Litzen führen, die sich dann jedoch noch berühren können, solange sie nicht durch Zug oder Knick am Kabel voneinander ein wenig abgehoben werden.

Hoher Übergangswiderstand kann dazu führen, dass der erwartete Strom nicht oder nicht im erwünschten Ausmaß fließt, also der Verbraucher keine Leistung entwickeln kann oder ein Signal nach Durchgang zu geringe Stärke aufweist, eine Messung ungenau ausfällt.

Wenn eine solche Stelle nur lokal höheren Widerstands den Strom im Kreis nicht wesentlich reduziert, so kommt es an der Stelle des höheren Übergangswiderstands zu lokal vermehrter Wärmeerzeugung. Die resultierende Temperaturerhöhung führt zu Wärmeausdehnung und damit Bewegung der Leiter, die wieder auf den Widerstand der Kontaktierung rückwirken kann. In der Reparaturtechnik werden daher gelegentlich Kältespräys genutzt, um thermisch verursachte Fehler zu lokalisieren. Stärkere lokale Erwärmung kann zum Schmelzen und Versagen der Kunststoffisolation und dadurch zu einem Kurzschluss führen. Starke Erwärmung kann zum Schmelzen von metallischem Leitermaterial - typisch an der dünnsten Stelle - oder zum Entzünden von brennbarem Material, typisch der Polyethylen-Isolation führen.

Typisch für Mikrofonleitungen mit schlechtem Kontakt ist plötzliches Absinken der Lautstärke oder im Lautsprecher hörbares "Knacksen" und "Knistern". Diese Geräusche lassen sich dann oft gezielt erzeugen, wenn an den passenden Stellen - in Verdacht kommen Stecker, Klemm- und Knickstellen - händisch gewackelt wird. Solche von selbst oder bei äusserer Beanspruchung unbeständige Kontaktierungen werden Wackelkontakt oder kurz Wackler genannt.

Um Kontakt mit zuverlässig niedrigen Übergangswiderständen herzustellen, benötigen Steckkontakte eine gewisse Kontaktpresskraft und die reibende Bewegung des Einsteckvorgangs, um Oxidschichten etwa auf vernickeltem Messing von Kontaktstiften von Netzsteckern durchzureiben. Ein gewisser Stromfluss (Stromflussdichte über die effektive Kontaktfläche) hilft, den Metall-Metall-Kontakt aufrecht zu erhalten. Verbindungen für sehr geringe Ströme werden mit entsprechend feinen, eventuell vierkantigen Stiften ausgebildet. Feine Kontakte für Ton- und Steuertechnik werden galvanisch mit Edelmetall beschichtet. Silber kann noch eine dunkle doch relativ weiche (Mohshärte 2...2,5) Sulfidschicht ausbilden, Gold bleibt blank. Physikalisch können sich jedoch Staub und Kondensatschichten ablagern, relevant sind auch Schmauchspuren besonders von Unterbrechungsfunken. Wässrige Flüssigkeiten können durch Effekte der Oberflächenspannung Kontaktflächen überziehen, die Kontaktgabe erschweren, nasschemische Veränderungen auslösen, wie verschiedene alkalische oder saure Batterie- oder Akkuelektrolyte. Biofilme sind dank der bioziden Wirkung insbesondere von Silber, aber auch Kupfer und Gold gehemmt.

Polfett zwischen den typisch leicht konischen Bleipolen und einer Polklemme aus verzinntem Messing oder Alu-Zink-Guss soll Korrosion durch Eindringen vom Batterie-Schwefelsäure verhindern, auch kann alternativ ein versiegelnder Lack auf die hergestellte Klemmung aufgesprüht werden. Um Wasser am Eindringen in Erdkabel abzuhalten, sind diese in den Litzenporen eventuell mit einer fettigen Masse gefüllt ("Gatschkabel"). Es gibt kleine, einpolige Pressklemmen für etwa 0,14 mm2 dünne Telefondrähte deren transparente Kunststoffhülle mit Fett gefüllt sind, um Wasser jahrzehntelang am Eindringen abzuhalten. Auch Drehschalter in frühen Radios und alte Kippschalter können gefettete Kontakte aufweisen.

Sogenannte Kalte Lötstellen haben keine stabile Anhaftung am (anlegierten) Metall des Leitermaterials. Die Fuge kann korrodieren, Zinn-Blei-Lot ist relativ weich, fließt langsam weg, wenn sich Kupferleiter - durch Warm-Kalt-Längenänderung oder Magnetfeldverursachtes Vibrieren unter Wechselstrom - wiederholt bewegen. Fusskontakte von Einschraub- und Bajonett-Glühbirnen von Batterie-Taschenlampe (ab 1,5 Volt), Fahrradlicht (6 V), Kfz (12-24 V) und Haushalt (110-230 V) sind häufig als Lottropfen ausgeführt. Lot fließt und korrodiert, ein Abschaben diese weichen Kontakts und auch der Kontaktfeder in der Fassung kann insbesondere bei dem Regenwasser ausgesetzten Fahrradleuchten helfen, gute Verbindung zu schaffen.

Schaltkontakte können schleifend wie bei Drehschaltern geschlossen und geöffnet werden oder durch - möglichst schnelles, prellfreies Auflegen und schnelles Abziehen. Kontakte werden vorteilhaft ungleich ausgeführt: Weicher auf hart, Kugelkalotte auf plane Fläche. An Luft bilden sich oxidierend wirkende Ein und besonders Ausschaltfunken. Kohlenstoff in gesinterten Kontaktmaterialien, die überwiegend aus Silber und Kupfer bestehen wirkt dabei als reduzierendes Agens, das entstehende CO2 gast weg. Schleif- oder (besser:) Gleitkontakte - Kohlebürsten genannt, weil ehemals als Kupferdrahtbürsten ausgeformt - zur Kontaktgabe auf Kupfer bestehen überwiegend aus leitfähigem, kohlschwarzem Grafit, verpresst mit etwa 25 % Kupferpulver zur Erhöhung der Leitfähigkeit und eingepressten Kupferlitzen. Solche Kohlebürsten werden in Elektromotoren mit Kommutator, an Schleifringen von Generatoren, Oberleitungen von Eisenbahn und O-Bus und auch an U-Bahn-Stromschienen eingesetzt.

Bei der Kontaktgabe, um Spannungen zu messen nützt man meist Messspitzen, um Oxidhaut und Schmutz an der Oberfläche von Leitern zu durchstechen, da man messtechnisch nur möglichst wenig Strom flieen lassen möchte, um die zu vermessende Schaltung nur wenig zu belasten, was jedoch an sich die Kontaktgabe mit den Messleitungen erschwert.

Niedrigen Übergangswiderstand zur und durch die Haut eines Menschen für die mehrkanalige genaue Vermessung von Herz- und Hirnströmen erreicht man durch flächige Elektroden, ein kontaktgebendes Gel, Ankleben oder Anpressen durch Luftdruck per Saugnapf. Pulsmesser für Sportler reichten um 1990 allein das Anliegen per Brustgurt, mittlerweile alleine am Hanggelenk. Pulsmesser, die an einem Ohrläppchen angeklemmt werden durchleuchten dieses jedoch und messen die Absorptionsschwankung durch die Aufquellenden Kapillargefässe.

Sicherheitsrelevant sind Überlegungen, Berechnungen und Maßnahmen zum Übergangswiderstand, wenn es darum geht, Menschen vor gefährlichem Stromfluss bei Arbeiten an elektrischen Anlagen, mit Elektrogeräte und vor Blitzschlag zu schützen. Andererseits auch bei Montage an empfindlicher Elektronik, wenn es darum geht über eine Erdungsschleife am Handgelenk und Erdung des Lötkolbens die Übertragung von sich eventuell bildender elektrostatischer Aufladung auf Bauteile zu vermeiden. Schutzleiter, Fehlerstromschutzschalter, Schutzisolierung, Schutzkleidung und Schrittspannung spielen hier herein.

Geringen Übergangswiderstand pro Fläche bei optisch möglichst weitgehender Durchsichtigkeit versucht man an den Oberflächen von Photovoltaik-Zellen aus Silizium durch schmale aufgedampfte Kontaktbahnen und auf LCDs durch ungewöhnlicherweise elektrisch leitfähiges doch optisch relativ transparentes Lanthanoxid zu erreichen. Der Spiegelglanz von Metallen, also das Nicht-Eindringen von Licht und die hohe elektrische Leitfähigkeit haben nämlich dieselben elektronischen Ursachen.

Erwünschter Übergangswiderstand[Bearbeiten]

Eine konkrete Anwendung der Druckabhängigkeit des Übergangswiderstands in körniger Materie stellt das Kohlemikrofon dar. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen Strom und Spannung in Varistoren kann genutzt werden um unerwünschte Überspannungen abzuleiten.

Asymmetrische Kontakte über Oxidschichten haben oft Halbleiterfunktion. So in Kupferoxydul-Gleichrichter und Kristalldetektor.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Eduard Vinaricky, A. Keil, W. A. Merl: Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen. Springer-Verlag, 2002, ISBN 978-3-540-42431-4.