Leitfähigkeitsverhältnisse

Leitfähigkeitsverhältnisse sind Verhältnisse der elektrischen Leitfähigkeit zweier benachbarter oder miteinander vergleichbarer Medien. In der einfachsten Form wird das Verhältnis σ1/σ2 betrachtet, wobei σ1 und σ2 die elektrischen Leitfähigkeiten der beiden Mediumtypen sind. Dieses Verhältnis gibt Aufschluss darüber, wie stark der Stromfluss über eine Grenzfläche dominiert oder verteilt wird.

In dreilagigen oder mehrschichtigen Systemen beeinflusst der Leitfähigkeitskontrast maßgeblich die Verteilung des elektrischen Feldes und des Stroms. Bei σ1 deutlich größer als σ2 konzentriert sich der Strom überwiegend auf das leitfähigere Medium, während bei annähernd gleichen Leitfähigkeiten die Feldlinien und der Strom gleichmäßiger durch beide Schichten wandern. In der Praxis werden auch komplexe Leitfähigkeiten berücksichtigt, insbesondere bei Wechselströmen; dann wird σ als komplexe Größe verwendet und als σ* bezeichnet.

Anwendungsgebiete der Leitfähigkeitsverhältnisse finden sich in verschiedenen Fachrichtungen. In der Geophysik und Bodenkunde beeinflusst der Kontrast zwischen Porenwasserleitfähigkeit und Gesteinsmatrix die Impedanz und damit die Interpretation von Elektroprospektionsmessungen. In der Elektrochemie bestimmen Leitfähigkeitsverhältnisse das Verhalten von Elektroden-/Elektrolyten-Systemen und die Verteilung von Strömen bei Zellen. In der Materialwissenschaft helfen sie bei der Beschreibung von Verbundwerkstoffen, Mikrostrukturen und Dünnfilm-Systemen.

Bestimmung und Modellierung erfolgen über Messungen der Strom-Spannungs-Relation oder Impedanzspektren. Theoretisch lassen sich Leitfähigkeitsverhältnisse mit effektiven Medium-Modellen wie Maxwell-Garnett oder Bruggeman-Formeln aus Volumenanteilen und individuellen Leitfähigkeiten ableiten. Einschränkungen ergeben sich aus Anisotropie, Perkolation und nicht homogener Struktur.