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PATENTBESCHREIflUNG Elektroden zur Durchführung elektro-physikalischer
Verfahren Die Erfindung betrifft Elektroden zllr Durchfjjhrung elektro-physikalischer
Verfahren, z.B. der Gewinnung von Süßwasser aus Sal z- oder Abwasser mittels El
ektro-Osniose, oder der Entfelchtun von bauwerken mittels Rlektro-Kinese, oder der
Trockenlegung von Moor- oder Tonhöden mittels Elektro-Kinese, oder zur Verfestigung
bzw. Imprägnierung poröser Werstoffe mittels Elektro-Phorese, oder zur Ahscheidijng
oder Trennung dispergierter oder kolloidaler Stoffe mittels Elektro-Phorese, sowie
der "ewäsaerung von Pflanzen oder @odenkulturen mittels elektrisch verstärkter Osmose.
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Der langfristigen Anwendung elektro-physikalischer Verfahren standen
bislang zwei gravierende Probleme entgegen: Die mangelhafte Resistenz der Elektroden
gegen elektrolytischen, elektro-chemischen, chemischen, hydrolytischen und organischen
Angriff einerseits und die Abhingigkoit des Eigenwiderstandes der Elektroden von
der von Fall zu Fall sehr verschiedenen, erforderlichen Länge andererseits.
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Zur Darstellung des Anwendungsbereiches des erfindungsgemäßen Elektroden
ist es zweckdienlich, die verschiedenen Verfahrensgruppen ordnungsgemäß zu definieren,
zumal in der Fachliteratur hHufig die verschiedenen, bekannten Verfahren irreführend
bezeichnot werden. Nach neuer Definition unterscheidet man folgende elektro-physikalische
Verfahren, zu deren Anwendung die erfindungsge maßen Elektroden entwickelt wurden@
1. Elektro-Osmose-Verfahren sind Verfahren, die an semi-permoablen Membranen odez
Stoffen, an denen unter normalen Umweltbedingungen die natürliche Osmose abluft
durch Zufuhr reringer, elektrischer Energie den Ablauf der natürlichen Osmose beeinflussen,
d.h. verstärken, bremsen oder umkchren können. Dieser Vorgang darf nicht mit Umkchr-Osmoze,
z.B. durch Druck und mittels Molekular-Siebe, verwechselt
werden.
Ein Merkmal der Elektro-Osmose z.fl. mit Wasser als bewegtes Medium ist, daß dabei
kein Wasser elektrolytisch zersetzt wird, und daß das Wasser eine semipermeable
Wandung als Wasserdampf und nicht als Fljjssigkeit passiert, und dabei einen hohen
Reinheitsgrad annimmt.
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II. Elektro-kinetische Verfahren sind Verfahren, ihnlich den Elektro-Osmose-Verfahren,
die an permeablen, d.h. porösen Stoffen, z.B. an Kapillaren im Erdreich oder in
Mauerwerken, in denen unter normalen Umweltbedingungen z.B. Wasser infolge des natiirlichen
KapilLar-Effektes aufsteigt, die Pewegung der Kapillar-Flüssigkeit durch Zufuhr
geringer elektrischer Energie beeinflussen, d.h. verstärken, bremsen oder umkehren
können.
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Ein Merkmal der Elektro-Kinese mit Wasser als bewegtes Medium ist,
daß dabei kein Wasser elektrolytisch zersetzt wird, und daß das Wasser sich in den
Kapillaren und permeablen Poren al Flüssigkeit - und nicht als Wasserdanpf - bewegt,
d.h. daß das Wasser im wesentlichen seine Begleitstoffe bzw.
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Verunreinigungen behält.
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III. Elektrolytische Verfahren sind Verfahren, bei denen Wasser z.B.
in porösen und semipermeablen Feststoffen unter dem Einfluß einer elektrischen Spannung,
die einen entsprechend hohen Strom hervorruft, elektrolytisch zersetzt wird. Dabei
eventuell auftretende eloktro-kinetische und elektro-osmotische Effekte sind vernachlässigbar
klein, weil die angelegte elektrische Energie nahezu vollstindig bei der Zersetzung
des Elektrolyten gewunden wird und die Effekte der Eiektrolyso alles andere weitgehend
überdecken.
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Wesentliche Merkmale elektrolytischer Verfahren sind u.a.
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die Zersetzung von Wasser1 das Entstehen von Wassertoff-Gas an Kathoden,
das Entstehen von Sauerstoff-Gas aii Anoden, der starke Zerfall selbst von Elektroden
aus Kohlenstoff, sowie der Betrieb des Verfahrens mit einer Spannung oberhalb der
Zorsetzungs-Grenzspannung fiir den betreffenden Elektrolyton.
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IV. Elektro-phoretische Verfahren sind Verfahren, bei denen innerhalb
einer Fliissikeit die in ihr enthaltenen Feststoffe, meist Schwebstoffe oder kleinste
Partikel1 winter dem Einfluß elektrischer Energie bewegt werden.
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In der Praxis laufen elektro-phoretische Vorgänge meist in Verbindung
mit Elektro-Kinese ab, d.h. wenn ein von Kapillarwasser durchnißtes Mauerwerk mittels
Elektro-Kinese entfeuchtet wird, so treten in der Regel gleichzeitig elektrophoretische
Effekte auf, durch die Schweebstoffe oder Partikel innerhalb des Kapillarwassers
- und natiirlich auch die im Wasser gelösten Ionen - transportiert werden. Typische
Merkmale der auf gute Wirkung ausgelegten Elektro-Phorese-Verfahren sind sehr geringe
elektrische Energien und keinerlei Zersetzung von Wasser.
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V. Zu den elektro-physikalischen Verfahren gehören auch die sogenannten
Gaivano-Verfahren, hei denen Elektroden aus Metall in einem wässrigen Elektrolyten
die ihnen eigene elektro-chemische Spannten erzeugen, untereinander kurzgeschlossen
werden und einen Strom liefern, welcher die unedlere der beiden Elektroden zersetzt,
wobei das so zersetzt Metall in seiner Umgebung in der Regel chemische Verbindungen
eingeht bzw. Ionen erzeugt, welche elektro-phoretisch dem elektrischen Strom zwisehen
den Elektroden folgen. Dabei werden unterschiedliche Ionen durch den gleichen Strom
verschieden schnell transportiert.
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Für die letztgenannte Gruppe der elektro-physikalischen Verfahren
sind Elektroden gemäß Erfindung normalerweise nicht vorgesehen.
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Es sind eine Reihe von Verfahren unri zugehörige Elektroden bekannt,
insbesondere zum Zwecke der Entfeuchtung von Psauwerken sowie Ton- und Lehmboden.
Diese werden oft als passive oder aktive Elektro-Osmose"-Verfahren hezeichnet.
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Schon das flüchtige Studium ergibt aber, daß die sog. passiven Elektro-Osmose"-Verfahren
reine Galvano-Verfahren sind.
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Das bedeutet, daß die zum getrieb eines "passiven" Verfahrens erforderliche
Energi e aus der ei ektro-chemi schen 7ersetzung seiner Elektroden gezogen wird,
welche notwendigerweise nicht resistent sein dirfen. Ein solches Konzept ist mit
der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, hochgradig resistente Elektroden
mit möglichst niedrigem Eigenwiderstand zu entwickeln, - nicht vereinbar. Galvano-Verfahren
sind aber zum Zwecke der Entfeuchtung von nauwerken technisch sehr fragwürdig, fiir
andere Zwecke, z.B. der Meerwasser-Entsalzung aus prinzipiellen Gründen nicht geeignet.
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Die als aktive Elektro-Osmose"-Verfahren bezeichneten bisher bekannten
Entfeuchtungsverfahren gehören in der Regel zur Gruppe der Elektrolyse-Verfahren.
Sie werden mit entsprechend hohen Anodenspannungen betrieben.
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Aus der DT PS 1.459.994 ist eine als Anode vorgesehene Elektrode zur
Bauwerksentfeuchtung bekannt, die aus kohlenstoffreichem Material, insbesondere
alls Kohle oder Graphit, hesteht. Derartige Kohleelektroden sind handelsüblich sind
werden in der Regel als imprägnierte KohleatHhe fiir elektrochemische Zwecke, z.B.
zur Herstel lung von Trockenbatterien (Taschenlampenbatterien, Monozellen usw.)
benötigt.
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Ein einfacher Versuch zeigt, was bei Heratellern solcher Kohleelektroden
ohnehin bekannt ist: Werden Kohle- oder Graphit-Elektroden in wisarigen Elektrolyten
betrieben und dabei Wasser zersetzt, d.h. Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, ,
so wird die als Anode betriebene iohlenstoff-Elektrode durch den an der Anode entstehenden,
atomaren Sauerstoff chemisch in kürzester Zeit zerstört.
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Beispiel 1.
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Zwei handelsiibliche Kohlenstoff-Elektroden, 15 mm Durchmesser, gemäß
DT PS 1.459.994, werden in wäsarigem Elektrolyten als Anode bzw. als Kathode betrieben
und an ein atterie-Ladegerät von 4,5 V Gleichspannung angeschlossen. Es stellt sich
nach wenigen Minuten ein konstanter Strom ein, der einer ca. 10 Stunden quasi konstant
bleibt.
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Es fällt bei dem Versuch auf, daß an der Kathode erwnrtelnfsgemäß
Wasserstoff entsteht, wihrenA an der Anode praktisch keine Gasbildung zu erkennen
ist; es entstehen nicht die zu erwartenden Sauerstoff-Bläschen. Stattdessen kann
nach ca.
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2 Stunden bereits beobachtet werden, wie sich Kohlenstoff-Partikel
von der Anode ablösen.
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Nach ca 10 Stunden fallen von der Anode größere Stücke ab, die sich
unter einem Mikroskop als voller mürbe und porös erweisen. Nach ca. 20 Stunden ist
die Kohlenstoff-Anode unbrauchbar geworden und zu ca. 6o % Abgebaut, - der Rest
ist mjlrbe und porös.
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Beispiel 2.
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Ein Mauerwerk das mit Anoden gemäß DT PS 1.459.994 ausçeriistet worden
ist, die zum Zwecke der Entfeuchtung an ein handelsübliches Batterie-Ladegerät mit
15 V Gleichspannung angeschlossen wurden, zeigte nach einiger Zeit verstärkte Nisneschäden
Beim Öffnen der Schlitze, in denen die Kohlenstoff-Elektroden eingemörtelt waren,
wurde festgestellt, daß die Kohlestabe zu einer Art Brei zerfallen waren. Die Parallele
zu dem Beispiel 1 ist evident. Das betreffende Verfahren gehört zur Gruppe der Elektrolyse-Verfahren.
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Aus der DT AS 1.9o4 223 ist eine Elektrode auf Graphitbasis für das
"elektro-osmotische" Austrocknen feuchter Mauern bekanne Das Verfahren gehört jedoch
zur Gruppe der Elektrolyse-Verfahren. Die Elektrode (Anode) besteht aus einem ca.
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lo mm dicken Kabel und einer leitfähigen Farbe. Das Kabel ist 2 die
eigentliche Elektrode und besteht aus einem ca. 1,5 mm ECu-Leiter, der mit einem
ca 4 mm dicken íiberzllsg aus Styrol-Butadien-Elastomer mit ca. 45 bis 55 s Graphit,
mit einem spezifischen Widerstand von ca. 1000 Ohm . cm umhiillt ist. Die leitfähige
Farbe besteht aus Polvurethanfarbe mit ca. 50 Graphit; sie soll den Übergangswiderstand
zwischen Elektrode und Mauerwerk vermindern. Als Kathode wird ein Metall stab als
Punkterder verwendet. Da Verfahren wird mit 4,5 bis 15 V Gleichspanrning aus Batterie-Ladegeräten
betrieben. Elektroden neuerer Fertigung bestehen aus ca. 3o X Athylen-Propylen-Elastomer
mit ca. 30 % Weichmachern ca. 30 X Kohlenstoff-Leitpigment und ca. 10 X Stabilisatoren
nnd dergleichen
Beispiel 3.
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Von einer Elektrode gemäß DT AS 1.9o4.223 werden zwei cn.
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10 cm lange Stücke abgeschnitten. Ein Ende des Elektrodenkabels wird
zum Schutz des metallischen Leiters mit Silikonharz versiegelt. Am anderen Ende
wird der metallische Leiter zu Anschlußzwecken freigelegt.
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Die beiden Elektroden werden an 4,5 V Gleichspannung an«eschlossen
und in einem w;issrigen Elektrolyten als Anode und Kathode betrieben.
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Nach etlichen Minuten steht sich konstanter Strom ein, der nach einigen
Stunden etwas absinkt.
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Es fällt auf, daß an der Kathode erwartungsgerniiß Wasserstofi entsteht
und in feinen Bläschen aufsteigt. An der Anode hingegen entwickelt sich nur @a.
10 % des zu erwartenden Sauerstoffs, d.h. daß 9o % des entstehenden, at omaren Sunerstoffs
@ von der Anode gebunden werden.
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Nach ca. 2 Stunden zeigt die Anode .schon deutliche Schäden der chemischen
Zersetzung. Nach 5 Stunden Ist die Oberfläche der Anode mit einer Art von blasenförmigen
Aufhrüchen des Styrol-utadiens bedeckt. Während zwei kreuzweise iibereinandergelegte
Elektrodenkahel im Ursprungszustand einen Übergangswiderstand von ca. 1000 Ohm aufwiesen,
wurde an dem vorstehend genannten, als Anode 5 Stunden lang betriebenen Elektrodenkabel,
das gegan eine unbenutzte Elektrode gemessen wurde, ein Jbergangswiderstand von
einer 500 ooo Ohm gemessen. Daraus folgt, daß der Kohlenstoff an der Oberfläche
bereits stark abgebaut war.
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Nach einer Betriebszeit von 96 Stunden war die Anodenoberfläche elektrisch
weitgehend passiviert. Der Übergangswiderstand zwischen der als Anode benutzten
und einer Unbenutzten Elektrode betrug ca. 5.ooo.ooo Ohm, d.h. die Anode war el
elektrisch unbrauchbar geworden 1 Beispiel 4.
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Ein Mauerwerk, das mit Anoden gemäß ß DT AS 1.9o4.223 ausgeriistet
worden war, welche zum Zwecke der Entfeuchtung an ein
Batterie-Ladegerät
mit 7,5 V Gleichspannung angeschlossen wurden, zeigte nach einiger Zeit verst.Nrkte
Nässeschäden.
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Die installierten Anoden wurden untersucht und dabei festzestellt,
daß sich einerseits zwischen der Leitfähigen 6 olyurethan-Farbe und dem Mauerwerk
Salzschichten abgelavert hatten, was auf elektrolytische 7erset7'Ilng von Feuchtigkeit
hindeutet, und daß die Oberflichen der Anoden in ähnlicher Weise elektrisch passiviert
waren, wie in Beispiel 3 beschriehen ist. Die Parallele zwischen Beispiel 3 und
4 ist evident, die Ursache des Fehlschlags augenscheinlich.
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Aus der DT OS 1.759.891 ist ein Verfahren bekannt, das zur Gruppe
der elektrolytischen Verfahren gehört und mit C.raphitstäben als Anoden arbeitet.
Zusätzlich wird eine Zementschlämme mit Graphit zur Kontaktverbesserung verwendet.
Das Verfahren ist mit den zuvor genannten Verfahren beziiglich der Anoden vergleichbar.
Eine Dislcussion zum Stand der Technik eriibrigt sich daher.
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Aus der vorstehenden Betrachtung des Standes der Technik sind gravierende
Mängel zu erkennen. Aus der Kenntnis der sogenannten HELMHOLTZ-Gleichung für echte
elektro-kinetische Verfahren v = XJ e [cm/sek] ? mit v = Geschwindigkeit der elektro-kinetisch
transportierten Kapillarflüssigkeit J = Anodenstrom c = Dielektrizitätskonstante
g = Zeta-Potential, Kapillar-ladung Q = Zähigkeit der Flüssigkeit = Leitfähigkeit
der Kapillarflüssigkeit kann die Forderung abgeleitet werden, daß die Elektrodenleistung
möglichst groß sein sollte. Aus der Erkenntnis, daß bei allen bekannten elektro-physikalischen
Verfahren die Anoden entweder elektrolvtisch oder-durch entstehenden Saller.stoffchemisch
xefahrdet sind, folgt, daß die Anodenspannung wesentlich geringer als bisher jjblich
gehalten werden muß. Erste Hinweise hierzu finden sich in der DT OS 2.603.135.
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Aus allen vorstehenden iiberleungen ergibt s'ch die Allfrahenstellung
der Erfindung: Es sollen Elektroden gefunden werden, die chemisch, elektrochemisch
und elektrolytisch völ l i! resistent sind, die einen möglichst niedrigen Eigenwiderstand
haben, welcher die Verwendung der Elektroden bei elektro-physikalischen Verfahren
in extremen Längen zuläßt, die indlJ-striell gefertigt und möglichst problemlos
sowohl im Erdhoden als in Flüssigkeiten als in Geräten, als auch in Manerwerken
und ähnlichen Stoffen installiert werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden
aus mindestens einer leitfähigen, für elektrolytische Flüssigkeiten nicht permeablen
Folie eines nicht-metallischen Werkstoffs und einer weiteren, fiir elektrische Flüssikeiten
nicht-permeablen Folie eines nicht-metallischen Werkstoffs, sowie zwischen beiden
Folien eingebetteten leitern bestehen.
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(Fig. 1) Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe sieht vor, daß
dio Elektroden aus mindestens zwei leitfähigen Folien eines @ichtmetallischen Werkstoffs
und wischen beiden Folien einQehetteten Leitern bestehen. (Fig. 2) Beide Lösungen
der gestellten Aufgabe sind gleichermaßen sinnvoll.
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Eine Elektrode mit einseitiger Leitfähigkeit wirkt auf der nicht-leitfahigen
Seite isolierend und eignet sich besonders dort, wo man einen einseitig gerichteten
Aufbau eines elektrokinetisch wirksamen Feldes wünscht. Hingegen kann eine Elektrode
mit beidseitiger Leitfähigkeit ein zweiseitig gerichtetes elektrisches Feld aufbauen.
(Fig. 5 und 6) In diesen Punkten unterscheiden sich bereits erfindungsgemässe Elektroden
wesentlich von konventionellen mit kreisförmigem Querschnitt, die in jedem Fall
eine lcoaxiale Feldverteilung in der Nähe der Elektrode erzeugen, was in den meisten
Fallen nicht vorteilhalft ist.
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Bei der Entwickling der erfindungsgemäßen Elektroden wurde eines sehr
erstaunliche Eigenschaft gefunden, die darin besteht,
daß sehr
kurze Elektrodenlinven mäßig hohe Eigenwiderstände aufweisen, daß Elektroden mittlerer
Länge einen um Zehnerpotenzen kleineren Widerstand besitzen, der dann bis zu extremen
Langen konstant und niedrig bleibt.
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Diese überraschende Eigenschaft hat ihre Urssche darin, daß der spezifische
Leitwert (#f) der leit@ähigen, nicht-metallischen Folien und der spezifische leitwert
(#,) von den Folien eingebetteten Leitern einerseits, sowie die Abstände (#) zwischen
den Leitern andererseits derart aufeinander abgestimmt sind, daß sich bei einer
an die Leiter angelegten Gleichspannung (tut) ein von der lange (]) der Elektrode
weitgehend nnahhäng er Widerstand (R) nach Art einer Impedanz <pz) ergibt.
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Die Feststellunc erscheint zunächst nicht logisch, da sie dem Ohmschen
Gesetz zu widersprechen schont nei näherer Betrachtung des Ersatzschaltbildes einer
Elektrode zeigt sich jedoch, daß die jjberraschenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Elektroden absolut im Einiclang mit den Ohm'schen und Kirchhoff' schen Gesetzen
erklärt werden können.
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In Fig. 7 ist das Ersatzschaltbild einer Elektrode mit 5 Längsleitern
dargestellt Man erkennt, daß die leitfähige Folie (13) alle 5 Leiter A bis E (14)
untereinander verbindet. Man kann somit ein Ersatzschalthild zeichnen, bei dem jeder
leiter mit jedem leiter durch einen Widerstand verbunden ist.
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Nachdem eine erfindungsgemäße Elektrode eine im Verhältnis zur Breite
sehr große Lange besitzt, liegen in Längerichtung zwischen beliebigen parallelen
Leitern eine große Anzahl von parallelen Widerständen. Thre Anzahl und Größe ist
definierbar.
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Bei flächigen Widerständen, z.B. leitfähigen Folien ist der widerstand
flächenabhängig definiert und für ähnliche Flächen gleich. Seine Dimension ist Quadrat-Ohm
fOhmaj. Der Flächenwiderstand gibt an, wie groß der Widerstand eines Widerstandselementes
mit quadratischer Ausdehnung ist.
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In der Praxis bedeutet das, daß bei einem Flächenwiderstand von z.B.
looo Ohm0 eine quadratische Folie von l m2 ebenso looo Ohm hat wie solche von l
cms oder 1 mm².
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Beispiel 5.
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Angenommen, in Fig. 7 sei der Abstand (a) zwischen Leiter C und D
10 mm, die Lunge der Elektrode sei 1 m und der Flächenwiderstand sei looo Ohm0 ,
so liegen auf 1 m Länge 100 Widerstandes - 10 mm breit und lang mit je looo Ohm,
- parallel.
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Damit wird der Ersatzwiderst and zwischen den Leitern C und D nach
den Kirchhoff'schen Gesetzen R R = 1000 = [A] Re = n - 100 = 10 Ohm mit Re = Ersatzwiderstand
R = Folienwiderstand pro Flächeneinbeit n = Anzahl der in Längsrichtung vorhandenen
Parallel-Widerstände Betrachtet man die elektrischen Verhältnisse aus Beispiel 5
an einer lo m langen Elektrode, so erg@ht sich mit Formel [A] Re = R/n = 1000/1000
= 1 Ohm Ähnlich Überlegungen gelten für alle anderen, in Fig. 7 dargestellten Querwiderstände
bzw. Leiterpasrungen. Gleichzeitig muß berücksichtigt werden, daß jede Elektrode,
d.h. so@ohl die leitfähige Folie (15) wie die Längsleiter (14) einen Ohmschen Widerstand
in Längsrichtung besitzen, der durch das Gesetz [#] R = 1/# . A mit R = Ohm'scher
Längswiderstand 1 = Länge des Widerstandes = spezifische Leitfähigkeit A = Querschnitt
des Widerstandselementes definiert ist. Die beiden Gesetze fAl und [B] überlagern
sich bei den erfindungsgemäßen Elektroden, so daß es zu den bereits genannten, iiberraschenden
Effekt eines längen-unabhängigen Eigenwiderstandes kommt, weil der Parallelwiderstand
aller Elemente nach fAJ mit zunehmender Länge kleiner, der
Längswiderstand
nach [nJ mit 7nnehmender Länge gräßer wird.
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Nur im Grenzfall, d.h. bei sehr kurzen Elektroden, pilt die Feststellunve
mit Einschränkungen In Fig. 8 ist der typische Verlauf des Elektroden-Widerstandes
über die Länge aufzeichnet. Man erkennt, daß eine Elektrode von ca. 5 mm Länge einen
Eigenwiderstand von ca. 500 Ohm hat, welcher bei ca. 2 m auf ein Minimum von ca.
1 Ohm absinkt und danach bis weit iiber 100 m konstant bleibt. Die größte, bereits
gemessene Elektrodenlange betrug ca. 850 m, deren Eigenwiderstand ca 1,2 Ohm.
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Als Eigenwiderstand einer erfindungsgemäßen Elektrode wird derjenige
Widerstand bezeichnet, der gemessen wird, wenn man alle geradzahligen und alle ungeradzahligen
Leiter zusammenschaltet und beide Gruppen gegeneinander mißt. Der leicht meßbare
Eigenwiderstand ist die bestmögliche Näherung an den sog.
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Übergangswiderstand der Elektroden das ist der Widerstand, der sich
ergibt, wenn alle Leiter zusammengeschaltet sind nnd die Oberfläche der leitfähigen
Elektrodenseite von einem leitfähigen Medium, z n Ouecksilber, vollständig benetzt
wird.
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Diese Meßmethode ist in der Praxis kaum anwendbar, vor allem nicht
bei großen Längen.
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Der vorstehend erläuterte, iiberraschend gefundene Effekt eines konstanten
Gleichstromwiderstandes, den man in Analogie ii Hochfrequenzwiderständen als "Gleichstrom-Impedanz"
bezeichnen kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß der konstante, von der Länge einer
Elektrode weitgehend unsbhängige rileichstrom-Widerstand der Elektrode nach dem
Gesetz R - U/J ermittelt wird und dabei dem Gesetz R = Je A nicht mehr allgemein
gehorcht, sondern nach Art einer Gleichstrom-Impedanz (RZ) dem Gesetz R = 1/#. A
nur mit der Nebenbedingung entspricht, daß der spezifische Leitwert (ttE) der Elektrode
mit der Länge (1) der Elektrode angenähert imgekehrt-proportional seinen effektiven
Wert ändert: R = 1/# 1 mit A = konstant, 1 g sr , und R = Elektrodenwiderstand,
bei dem sich als erstes das Minimum des Eigenwiderstandes einstellt, so daß sich
für eine weitgehend beliebige, vielfache Länge von
1=(n 1) ergibt
[D] RZ = n . 1/n . # . A mit n = Vielfaches der Minimumlange 1.
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Der Eigenwiderstand einer Elektrode ist in weiten Grenzen heeinflußbar.
Neben der naheliegenden Tatsache, daß u.a. die spezifische Leitfähigkeit bzw. der
Fl;chenwiderstand den Eigenwiderstand von Elektroden bestimmt, ist von besonderer
Bedeutung und von wesentlich größerem Einfluß, daß der Wert der effektiven Gleichstrom-Impedanz
(R7) haipts.'chJich von Anzahl (m) der mit der leitfähigen Folie (6) in Kontakt
liegenden Leiter (7) und derem Abstand (a) abhingt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroden sieht
vor, daß die Leiter (3) - vorzugsweise aus einem Halbedelmetall wie z.B. Nickel,
Chrom, silberplattiertem Kupfer, oder Legierungen wie Bronze, Messing, Edelstahl
oder Chrom-Nickel, oder aus Edelmetall oder aus einem nicht-miallischen, leitfähigen
Werkstoff bestehen.
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Weiter hängt die Qualität von erfindungsgemäßen Elektroden wesentlich
von der Wahl geeigneter Rohstoffe und Belbzeuge ab, wobei die Folien (1,2) vorzugsweise
aus fluorierten Kunststoffen, vorzugsweise aus Fluorohlenstoffen, insbesondere aus
Polytetrafluoräthylen oder dessen Co-Polymerisaten bestehen, wobei den leitfähigen
Folien (1,4,6) Leitpigmente, vorzugsweise aus Kohlenstoff, eingemischt sind.
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Ein weiteres Merkmal erfindungsgemäßer Elektroden besteht darin, daß
sie trotz ihres ijberraschend niedrigen Eigenwiderstandes keineswegs z.B. als Kohlenstoff-reich
anzusprechen sind, sondern daß die leitfähigen Folien (1,4,6) einen Gehabt an Leitpigment
von deutlich unterhalb des Verträglichkeits-Maximums aufweisen.
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Besonders günstige Verhältnisse und Eigenschaften ergeben sich, wenn
die leitfähigen Folien (1,4,6) aus sJnterfähigen Werkstoffen wie Polytetrafluoräthylen
oder dessen Co-Polymerisaten bestehen und einen Gehalt an Leitpigmenten von weniger
als 50 X, vorzugsweise unter 10 % aufweisen.
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Dabei sollten die Leitpigmente ein Korngröße aufweisen, die der Korngröße
des verwendeten sinterfähigen Werkstoffs entspricht.
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Bei Verwendung von Folien aus Polytetrafluoräthylen, die eine ausgeprägte
Orientierung aufweisen, ist es sinnvoll, daß als Leitpigmente fadenartige Werkstoffe,
vorzugsweise aus Kohlen-Stoff, verwendet werden, deren Ausdehnung in der Lange mindestens
5-mal größer ist als quer zur Länge.
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Elektroden konventioneller Art, d.h. mit kreisförmigen Ouerschnitten,
weisen eine im Verhältnis zum Volumen und zum Clewicht kleinst-mögliche Oberfläche
auf. Daraus folgt, daß Elektroden mit runden oder angenähert runden Querschnittsformen
elektrisch ungünstig sind, weil eine hohe Stromdichte auf einer kleinen Oberfläche
zu erwarten ist.
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Erfindungsgemäße Elektroden sind extrem flach und weisen eine im Verhaltnis
zum Volumen der Elektroden krone OberfJche auf, die noch um den Faktor 1,5 bis 2
größer ist, als es nach den äußeren Abmessungen zu vermuten wäre. Diese Oberflächenvergrößerung
wird durch eine Profilstruktur bewirkt, die auf der leitfähigen Seite der Elektroden
eingeprägt ist. (Fig 4) Eine solche Profil struktur vergrößert die effektiv wirksame
Kontaktfläche von Elektroden, vermindert die Stromdichte und verbessert die Kontaktfähigkeit
infolge Formschlusses vieler kleiner Riefenprofile mit der Gegenfläche, z.fl. dem
Erdboden oder einer Mörtelmasse.
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Die Vorteile erfindungsgemäßer Elektroden liegen zunächst und zumeist
auf technischem Gebiet. Es sind die einzigen, bislang bekannten Elektroden, die
hinreichend resistent und niederohmig sind, um die Anwendung eines echten elektro-osmotishen
oder elektro-kinetischen Verfahrens mit niedrigen Anodenspan nungen zuzulassen.
Sie sind ferner gegen praktisch alle chemischen und organischen Substanzen inert.
Erfindungsgemäße Elektroden besitzen zudem eine geringe Masse bei vergleichsweise
großer Oberfläche, so daß trotz Verwendung von z.T. teurer Rohstoffe wie z B. Polytetrafluoräthylen
wirtschaftlich Vorteile vorhanden sind. Sie sind in gleicher Weise wie Bandkabel
industriell herstellbar.
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Erfindungsgemäße Elektroden sind in den narstelllnfen Firr. 1 bis
8 näher erlä'itert.
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Fig. 1 zeigt eine kleine Elektrode, bestehend aus einer laitfähigen
Folie (1) und einer nicht-leitfhigen FoLie (2), -elche miteinander homogen verschwelßt
sind und mi@d. zwei leI-ter (3), in Längsrichtung parallel lie-end, enthalten.
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Fig 2 zeigt eine ähnliche Elektrode, bei der zwei Folien (4) eines
leitfähigen Polymerisates wie z.B. Polytetrafluoräthylen miteinander verschweißt
sind und mindestens zwei Längsleiter (5) enthalten.
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Fig. 3 zeigt eine breitere Elektrode mit 6 Längsleitern (7), die in
einem definierten Abstand (a) zueinander liegen und von zwei Folien eingeschlossen
sind. Eine der beiden Folien ist leitfähig (6).
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In der Praxis können erfindungsgemäße Elektroden in Breiten von ca.
5 mm bis 200 mm hergestellt werden. Sie enthalten meist zwischen 2 und So Leiter
- je nach Anwendungszweck -mit einem Durchmesser wischen ca. 0,2 und 0,5 mm. Solche
Elektroden sind meist zwischen 0,9 und 1,9 mm dick.
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In Fig. 4 ist skizziert wie eine erfindungsemiße Elektrode an der
Oberfläche durch Riefen (8) strnktllriert sein kann, iim die wirksame Oberfläche
zu vergrößern.
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Fig. 5 zeigt den Feldlinienverlauf (io) zwischen zwei Elektroden mit
seinseitiger Leitfähigkeit (9).
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Fig 6 zeigt den Feldlinienverlauf (11) bei Elektroden mit beidseitiger
Leitfähigkeit (12).
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In Fig. 7 ist das Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Elektrode
mit 5 Längsleitern (14) dargestellt Man erkennt, daß jeder Leiter mit jedem Leiter
durch die leitfähige Folie (13) leitend verbunden ist, und daß sich die Verbindungswege
durch Widerstände darstellen lassen.
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In Fig. 8 ist der typische Verlauf des Eigenwiderstandes zwischen
allen paarigen und allen unpaarigen Längsleltern einer 35 mm breiten und o,75 mm
dicken Elektrode gemäß Erfindung, die 10 Längsleiter mit 0,3 mm Durchmesser enthält,
graphisch dargestellt Man erkennt, daß bei ca. 2 m ein Minimum des Eigenwiderstandes
erreicht ist, der bei allen weiteren Längen konstant bleibt.
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Es bleibt zu erwähnen, daß die Eigenschaften erfindungsgemässer Elektroden
weitgehend vorauszuharechnen und an die jeweiligen Forderungen anpassen lassen.
Sie eignen sich gleichfalls für eine Reihe anderer Anwendungen, z.fl. als Sendeelektroden,
als Sensoren, als Meßwertgeber, als flegleitleitungen, als Kontaktmittel, als Überwachungsmittel,
als Meßsonden und anderes mehr. Der letztgenannte Anwendunsfall tritt in der Regen
in Verbindung mit der Anwendung erfindungsgemäßer Elektroden bei elektro-physikalischen
Verfahren auf.
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L e e r s e i t e