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Gegenstand der Erfindung ist eine Verbindungsanordnung, umfassend zumindest ein Befestigungselement, zumindest ein Sicherungselement, zur Sicherung des zumindest einen Befestigungselements gegen Lösen sowie mindestens ein Objekt, das mit dem Befestigungselement, oder unter Verwendung des Befestigungselements, an einem Untergrund oder an einem anderen Objekt befestigt ist.
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Zur Vermeidung des ungewollten Lösens von Schraubverbindungen durch Schwingungen, Vibration, mechanischer Belastung oder auch Korrosion werden in verschiedenen Bereichen der Technik Sicherungselemente verwendet.
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Eine Variante zur Sicherung von Schraubverbindungen ist in der
DE 202012103313 U1 offenbart. Hierbei handelt es sich um ein Keilsicherungsscheibenpaar, bei dem die Scheiben jeweils an einer ihrer Oberflächen Keilrippen und an ihrer anderen Oberfläche Verklammerungsstrukturen tragen und beide Scheiben mit ihren die Keilrippen tragenden Oberflächen zueinander weisend und ineinander greifend gehalten sind. Dadurch, dass zumindest eine der beiden Scheiben nach Art einer tellerförmig geformten Spannscheibe ausgeführt und aus einem Federstahl hergestellt ist, wird eine zusätzliche, auf die Gegenauflagen wirkende Vorspannung erzeugt. Dies führt zu einer besonderen Festigkeit der Schraubverbindung.
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Unvorteilhafterweise bestehen Spannungen zwischen verschiedenen Metallen aufgrund eines unterschiedlichen Redoxpotentials. Werden Metalle unterschiedlichen Potentials miteinander in Kontakt gebracht und kommt ein Elektrolyt, wie beispielsweise Wasser hinzu, korrodiert das unedlere Metall.
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Eine Korrosion führt zu einer verminderten Festigkeit einer Schraubverbindung bis hin zur Zerstörung des gesamten Objekts, weshalb dieser Effekt zu vermeiden ist.
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Regelmäßig besteht das Problem, Stoffe verschiedenen Redoxpotentials miteinander zu verbinden.
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Eine Lösungsmöglichkeit offenbart
DE 102013000308 A1 , in der zwischen einem elektrochemisch edlen Werkstoff und einem metallischen Verbindungspartner, der eine Beschichtung aus einem elektrochemisch unedlerem Werkstoff aufweist, eine Trennlage aus einem elektrochemisch inerten Werkstoff eingebracht wird.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass diese keine Sicherung gegen das Lösen der Verbindung enthält.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die elektrochemische Korrosion in einer Verbindungsanordnung zu verringern oder zu vermeiden und dabei durch das Bereitstellen einer Sicherung gegen das Lösen die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Verbindungsanordnung gewählt ist, welche ein Befestigungselement, zumindest ein Sicherungselement, zur Sicherung des zumindest einen Befestigungselements gegen Lösen sowie ein Objekt, das mit dem Befestigungselement, oder unter Verwendung des Befestigungselements, an einem Untergrund oder an einem zweiten Objekt befestigt ist, enthält, wobei die Oberfläche des Sicherungselements die Oberflächen des Befestigungselements und des Objekts trennt und das Redoxpotential des Sicherungselementes zwischen den Redoxpotentialen des Befestigungselementes und des Objektes liegt.
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Die Erfindung betrifft im Einzelnen eine Verbindungsanordnung, aufweisend
- – zumindest ein Befestigungselement, aufweisend eine Oberfläche aus einem ersten Metall oder aus einer ersten Metalllegierung, mit einem ersten Redoxpotential
- – zumindest ein Sicherungselement, zur Sicherung des zumindest einen Befestigungselements gegen Lösen, aufweisend eine Oberfläche aus einem zweiten Metall oder aus einer zweiten Metalllegierung, mit einem zweiten Redoxpotential
- – ein erstes Objekt, das mit dem Befestigungselement, oder unter Verwendung des Befestigungselements, an einem Untergrund oder an einem zweiten Objekt befestigt ist, wobei das erste Objekt eine Oberfläche aus einem dritten Metall oder aus einer dritten Metalllegierung mit einem dritten Redoxpotential aufweist,
wobei das Sicherungselement derart zwischen dem Befestigungselement und dem ersten Objekt angeordnet ist, dass die Oberfläche des Sicherungselements die Oberfläche des Befestigungselements und die Oberfläche des ersten Objekts kontaktiert und
wobei gilt:
erstes Redoxpotential > zweites Redoxpotential > drittes Redoxpotential.
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Vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Anordnung durch die Verwendung weniger Bauteile, eines einfachen Montageprozesses und dem Entstehen von wenig Fugen zwischen den Bauteilen aus.
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Das Befestigungselement kann einteilig oder mehrteilig sein.
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In der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist das Befestigungselement insbesondere eine Schraube, eine Schraubenmutter oder eine Kombination aus Beidem. Das Sicherungselement liegt insbesondere an einem Kopf der Schraube an. Ein weiteres mögliches Befestigungselement ist ein Niet oder eine Kombination aus Nieten.
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Stellt in der erfindungsgemäßen Anordnung das Befestigungselement eine Kombination aus einer Schraube und einer Mutter dar, kann das Sicherungselement zwischen der Mutter und einem Untergrund oder einem Objekt angeordnet sein, zwischen der Schraube und einem Objekt angeordnet sein. Oder es können zwei Sicherungselemente vorhanden sein, wobei ein erstes zwischen der Schraube und einem ersten Objekt angeordnet ist und ein zweites zwischen der Mutter und einem zweiten Objekt angeordnet ist. Angeben wir in diesem Sinne von der Erfindung auch eine Verbindungsanordnung, bei dem ein erstes und ein zweites Objekte mittels einer Kombination aus Schraube und Mutter miteinander verbunden sind, und die wie folgt beschrieben werden kann:
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Verbindungsanordnung, aufweisend
- – als Befestigungselement eine Kombination einer Mutter und einer Schraube, jeweils aufweisend eine Oberfläche aus einem ersten Metall oder aus einer ersten Metalllegierung, mit einem ersten Redoxpotential,
- – ein erstes Sicherungselement und ein zweites Sicherungselement, zur Sicherung des Befestigungselements gegen Lösen, jeweils aufweisend eine Oberfläche aus einem zweiten Metall oder aus einer zweiten Metalllegierung, mit einem zweiten Redoxpotential
- – ein erstes Objekt, das mit dem Befestigungselement, oder unter Verwendung des Befestigungselements, an einem zweiten Objekt befestigt ist, wobei das erste Objekt und das zweite Objekt eine Oberfläche aus einem dritten Metall oder aus einer dritten Metalllegierung mit einem dritten Redoxpotential aufweisen,
wobei das erste Sicherungselement derart zwischen der Schraube, insbesondere einem Kopf der Schraube, und dem ersten Objekt angeordnet ist, dass die Oberfläche des Sicherungselements die Oberfläche des Befestigungselements und die Oberfläche des ersten Objekts kontaktiert und
wobei das zweite Sicherungselement derart zwischen der Mutter und dem zweiten Objekt angeordnet ist, dass die Oberfläche des zweiten Sicherungselements die Oberfläche der Mutter und die Oberfläche des zweiten Objekts kontaktiert
wobei gilt:
erstes Redoxpotential > zweites Redoxpotential > drittes Redoxpotential.
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Es sind von der Erfindung auch Ausführungsformen erfasst, wobei das/die erste Metall/Metallegierung bei verschiedenen Teilen eines Befestigungselements nicht identisch sind, sodass die Schraube und die Mutter Oberflächen aus unterschiedlichen Metallen/Metalllegierungen aufweisen. Ein(e) „erste(s) Metall/Metalllegierung“ ist somit ein Sammelbegriff für Metalle/-legierungen, aus denen die Oberfläche eines Befestigungselement gebildet ist, wobei das Befestigungselement wiederum mehrteilig sein kann. Entsprechend können erste Redoxpotentiale bei verschiedenen ersten Metallen/Metalllegierungen unterschiedlich sein, solange oben genannte Bedingung „erstes Redoxpotential > zweites Redoxpotential > drittes Redoxpotential“ erfüllt ist.
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Es sind von der Erfindung auch Ausführungsformen erfasst, wobei das/die zweite Metall/Metallegierung bei verschiedenen Sicherungselementen nicht identisch sind, sodass das erste und das zweite Sicherungselement Oberflächen aus unterschiedlichen Metallen/Metalllegierungen aufweisen. Ein(e) „zweite(s) Metall/Metalllegierung“ ist somit ein Sammelbegriff für Metalle/-legierungen, aus denen die Oberfläche eines Sicherungselements gebildet ist, wobei in einer Anordnung verschiedene Sicherungselemente vorhanden sein können. Entsprechend können zweite Redoxpotentiale bei verschiedenen zweiten Metallen/Metalllegierungen unterschiedlich sein, solange oben genannte Bedingung „erstes Redoxpotential > zweites Redoxpotential > drittes Redoxpotential“ erfüllt ist.
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Es sind von der Erfindung auch Ausführungsformen erfasst, wobei das/die dritte Metall/Metallegierung bei verschiedenen Objekten nicht identisch sind, sodass das erste und das zweite Objekt Oberflächen aus unterschiedlichen Metallen/Metalllegierungen aufweisen. Ein(e) „dritte(s) Metall/Metalllegierung“ ist somit ein Sammelbegriff für Metalle/-legierungen, aus denen die Oberfläche eines Objektes gebildet ist, wobei in einer Anordnung verschiedene Objekte vorhanden sein können. Entsprechend können dritte Redoxpotentiale bei verschiedenen dritten Metallen/Metalllegierungen unterschiedlich sein, solange oben genannte Bedingung „erstes Redoxpotential > zweites Redoxpotential > drittes Redoxpotential“ erfüllt ist.
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Mit Oberfläche im Sinne der Erfindung ist sowohl eine Beschichtung oder aber auch die gesamte Beschaffenheit eines Gegenstandes bezeichnet. Anders ausgedrückt, kann nur die Oberfläche eines Befestigungselements/eines Sicherungselements/ eines Objekts aus dem ersten/zweiten/dritten Metall/Metalllegierung bestehen oder das Befestigungselement/ Sicherungselement/ Objekt kann massiv daraus beschaffen sein.
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Erfindungsgemäß findet an der Stelle, an der das Sicherungselement angeordnet ist, kein Kontakt zwischen der Oberfläche des Befestigungselements und der Oberfläche des ersten Objekts statt. In diesem Sinne trennt das Sicherungselement, dort wo es angeordnet ist, die Oberfläche des Objekts von der Oberfläche des Befestigungselements.
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Das Redoxpotential eines Metalls oder einer Metallegierung, oder auch eines anderen Stoffes, charakterisiert dessen Reduktion/Oxidationspotential in wäßriger Lösung bezogen auf eine Referenz. Je stärker positiv das Potential eines Elementes ist, umso größer ist seine Oxidationsfähigkeit und andererseits wächst mit stärker negativem Potential die Reduktionsfähigkeit eines Elementes oder einer Verbindung.
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Die Referenzhalbzelle ist üblicherweise eine Standard-Wasserstoffelektrode. Standardbedingungen bedeuten eine Aktivität von 1 aller beteiligten Stoffe.
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In der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist das erste Objekt insbesondere ausgewählt aus einem strukturgebenden Bauteil für ein Fahrzeug, einem Einbauteil für ein Fahrzeug, einem Teil zur Verlegung elektrischer Leitungen, einem Teil zur Verlegung von Versorgungsleitungen und einem Innenausbauteil für ein Fahrzeug
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In der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist das zweite Objekt, unabhängig von dem ersten Objekt, insbesondere ausgewählt aus oben genannten Teilen.
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Sicherungselemente im Sinne der Erfindung betreffen insbesondere Elemente, die das Lösen oder Lockern von Verbindungen, insbesondere Schraubverbindungen, insbesondere durch Verhinderung eines Verlustes der Vorspannkraft, bewirken.
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Solche Sicherungselemente können aus allen gebräuchlichen Sicherungselementen ausgewählt sein, welche zwischen dem Befestigungselement und dem zu befestigenden Objekt einsetzbar sind. Diese können beispielsweise Sperrkantscheiben, Sperrkantringe, Kontaktscheiben, Hochspannringe, Zahnringe oder Spannscheiben, wie Tellerfedern oder Schnorrscheiben sein.
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Insbesondere bevorzugt betrifft die Erfindung eine Sperrkantscheibe als Sicherungselement mit einer Sicherung gegen das Lösen für eine Schraubverbindung.
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Sperrkantscheiben im Sinne der Erfindung betreffen Sicherungselemente gegen das Lösen, die sich durch eine spezifische Oberflächenstruktur auszeichnen. Insbesondere bevorzugt sind Strukturen, die eine Riffelung oder eine Kordierung der Oberfläche aufweisen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung führen die verwendeten Sicherungselemente mit Losdrehsicherung nicht nur durch Ihre Oberflächenstruktur sondern auch durch Ihre Materialeigenschaften zu einem Formschluss.
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Das Sicherungselement kann ein federndes Material aufweisen. Die Verwendung eines federnden Materials führt dabei zur Festigkeit der zu sichernden Schraubverbindung.
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Es versteht sich, dass das Sicherungselement mit Losdrehsicherung aus jedem Federstahl oder Edelstahl hergestellt sein kann, der die für die gewünschten Prozesse notwendigen Federeigenschaften aufweist.
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Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung, in der das zweite Metall oder die zweite Metalllegierung Zinn oder eine Zinnlegierung ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass der Effekt der Schraubensicherung durch das Aufbringen der Zinnschicht auf das Sicherungselement mit Losdrehsicherung nicht negativ beeinflusst wird.
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Ist das Sicherungselement aus einem anderen Metall als Zinn hergestellt, so wird die Oberfläche aus Zinn oder aus einer Zinnlegierung durch eine Verzinnung herbeigeführt. In einer speziellen Ausführungsform ist das Sicherungselement aus Federstahl oder Edelstahl, der mit Zinn oder einer Zinnlegierung beschichtet ist.
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Die Verzinnung wird mittels Durchführung der im Stand der Technik gebräuchlichen Verfahren erreicht.
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Weiter bevorzugt ist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung, in der das erste Metall oder die erste Metalllegierung Stahl ist. Insbesondere bevorzugt sind hier Edelstahl oder rostfreier Stahl.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das dritte Metall oder die dritte Metalllegierung Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Grundsätzlich sind auch andere Werkstoffen denkbar, vorzugsweise unedle Metallen, wie beispielsweise Eisen, Zink oder verschiedenen Legierungen. Wesentlich ist, dass das Redoxpotential des zweiten Metalls, also des Sicherungselementes zwischen dem des ersten Metalls also des Befestigungselementes und dem des dritten Metalls, also des ersten Objektes, liegt.
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Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Sicherungselement zur Sicherung eines Befestigungselements gegen Lösen, welches eine Oberfläche aus Zinn oder einer Zinnlegierung aufweist.
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Dieses Sicherungselement kann in der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung als Sicherungselement verwendet werden. Das Sicherungselement kann beschaffen sein wie vorangehend offenbart.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Schienenfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung aufweist. Beispielhafte Schienenfahrzeuge sind Straßenbahnen, S-Bahnen, U-Bahnen, Nahverkehrszüge, Fernverkehrszüge, sowie Bestandteile davon, wie Triebwagen, Waggons und Lokomotiven.
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Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Schienenfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Sicherungselement aufweist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Es zeigt:
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1: Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung in Form einer Schraubverbindung
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1 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, hier ist als Befestigungselement 1 eine Kombination aus Schraube 1a und Mutter 1b verwendet. Die Schraube 1a ist als Befestigungselement 1 aus einem ersten Metall, hier Edelstahl, über ein Sicherungselement 2a, hier in Form einer Sperrkantscheibe, die verzinnt (zweites Metall) ist, mit einem ersten Objekt 3 aus einem dritten Metall, hier Aluminium, verbunden, wobei die Oberfläche des Sicherungselements 2a die Oberfläche des ersten Objekts 3 und die Oberfläche des Befestigungselements 1a kontaktiert. Das Redoxpotential des Edelstahls ist größer als das Redoxpotential des Zinns. Und das Redoxpotential des Zinns ist größer als das Redoxpotential des Aluminiums.
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Das Befestigungselement 1 befestigt das erste Objekt 3 an einem zweiten Objekt 4 oder umgekehrt. Das erste Objekt 3 und das zweite Objekt 4 sind beispielsweise Kabelkanäle in einem Schienenfahrzeugs.
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Zwischen der Mutter 1b und dem zweiten Objekt 4 ist ein Sicherungselement 2b angeordnet, das ebenfalls eine verzinnte Sperrkantscheibe ist. Die Mutter 1b ist aus Edelstahl. Von der Seite der Mutter 1b betrachtet, ist die Mutter 1b als Teil des Befestigungselementes 1 aus einem ersten Metall mit einem ersten Redoxpotential über ein Sicherungselement 2b aus einem zweiten Metall mit einem zweiten Redoxpotential mit einem zweiten Objekt 4 aus einem dritten Metall mit einem dritten Redoxpotential verbunden, wobei die Oberfläche des Sicherungselements 2 die Oberfläche des zweiten Objekts 4 und die Oberfläche des Befestigungselements 1b kontaktiert. In diesem Fall ist das zweite Objekt 4 ebenfalls aus Aluminium, als drittes Metall mit einem dritten Redoxpotential. Vorzugsweise besitzen das erste Objekt 3 und das zweite Objekt 4 die gleiche Beschaffenheit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befestigungselement
- 1a
- Schraube
- 1b
- Mutter
- 2a
- Sicherungselement
- 2b
- Sicherungselement
- 3
- erstes Objekt
- 4
- zweites Objekt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012103313 U1 [0003]
- DE 102013000308 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook. Last update: 2014-02-24; version: 2.3.3, entry „redox potential“ [0023]
