Potentiostaten gut genutzt

Potentiostat als Null - Ohm - Amperemeter - Stromsenke - ZRA

Ein Potentiostat als Null-Ohm-Amperemeter - was ist der Vorteil?

Ein einfaches Amperemeter, wie es zum Beispiel in einem Digitalmultimeter vorhanden ist, misst den Strom indirekt, indem die Spannung gemessen wird, die über einem Messwiderstand proportional dem fließenden Strom abfällt. Ein handelsübliches 3 ½ - stelliges Digitalmultimeter hat einen kleinsten Spannungsbereich von 200 mV, entsprechend werden die Messwiderstände intern geschaltet. Mit anderen Worten: Nutzen Sie die Stromauflösung des Instruments durch die Wahl des passenden Messbereichs voll aus, dann beträgt der Spannungsunterschied während der Messung bis zu 200 mV.

Beispiel: Sie messen einen Strom von 100 µA im Messbereich 200 µA des Digitalmultimeters. Der eingeschaltete Messbereich sei 200 µA. Dazu wird (intern im Multimeter) ein Messwiderstand von 1 kOhm eingeschaltet, über dem nach Georg Simon Ohm U = R x I = 1000 Ohm x 100 µA = 100 mV abfallen.

Für die Messung von Strömen in einem elektrischen Schaltkreis ist das solange unschädlich, solange dieser Spannungsabfall nicht auf die übrigen Funktionen im Messobjekt rückwirkt. In einer elektrochemischen Zelle sind aber 100 mV bereits sehr viel: Erinnern Sie sich bitte daran, daß z.B. bei Raumtemperatur bei der Wasserstoffabscheidung eine Potentialveränderung von - 114 mV eine zehnfach größeren Strom (oder bei + 114 mV zehnfach kleineren Strom) zur Folge hat. Noch drastischer ist der Effekt bei der Metallauflösung: Hier variieren die Ströme bereits mit 59 mV (etwa Eisen) oder gar nur 40 mV (Nickel) pro Stromdekade. Daraus ist ersichtlich, daß ein solches Instrument nicht zur Messung von Kurzschlußströmen zwischen zwei Elektroden einer galvanischen Paarung taugt, es sei denn, man arbeitet stets im größtmöglichen Messbereich, der noch eine sichere Ablesung gestattet. Im vorliegenden Fall müßte man, um den Messfehler in akzeptablen Grenzen zu halten, den Messbereich 2 mA wählen. Die gegenseitige Polarisation der Messelektroden betrüge dann bei 100 µA nurmehr 10 mV, entsprechend kleiner wäre die Verfälschung des Messergebnisses, allerdings verringert sich entsprechend auch die Genauigkeit der Stromablesung am Instrument selbst: Würden Sie nun auf den Messbereich 20 mA umschalten, bliebe die Verfälschung der Meßergebnisse unter 1 %, allerdings wäre das Messergebnis wiederum nur noch auf ± 10% ablesbar!

Für elektrochemische Messungen ist deshalb eine Strommessung unerläßlich, die keine Potentialunterschiede zwischen den Messpunkten (d. h. den Elektroden) bewirkt. Dazu werden zwar spezielle "Null - Ohm - Amperemeter" angeboten. Aber Sie können eben auch einen Potentiostaten als Null - Ohm - Amperemeter (engl.: ZRA = zero resistance ammeter) schalten. Verbinden Sie dazu wieder Referenzelektrodenanschluss und Gegenelektrodenanschluss. Eine der beiden zu messenden Elektroden wird mit dem Arbeitselektrodenanschlüssen verbunden, die andere mit Referenz- und Gegenelektrodenanschluss. Das gesteuerte Potential wird auf Null gestellt - Das ist der ganze Trick!

Potentiostat als Null-Ohm-Amperemeter (ZRA)

Bild: Potentiostat als Null - Ohm - Ammeter unter Verwendung des internen Range - Widerstands (Current Sink)

Jetzt müssen Sie nur noch den passenden Strombereich einstellen. Das Messergebnis können Sie am eingebauten Instrument ablesen, oder am Stromausgang ein hinreichend genaues Spannungsmessgerät anschließen: Das zeigt den Strom dann mit Promille - Genauigkeit an.

Polarität: Bei unseren Potentiostaten wird ein anodischer Strom durch die Arbeitselektrode (d. h. die Arbeitselektrode ist positiv gegenüber der Gegenelektrode) als positiver Strom am Messinstrument angezeigt.
Falls die internen Range - Widerstände für Ihr Vorhaben nicht ausreichen, müssen Sie einen externen Range - Widerstand wie im Schaltbild links zwischen Gegenelektrode und WE 1 einschalten. WE 1 wird gleichzeitig mit RE verbunden. Der Strom wird jetzt über die Spannung zwischen Gegenelektrodenanschluss am Potentiostaten und Erde gemessen. Es gilt wieder:

I = U / R

Dabei sei hier R der externe Meßwiderstand. Hinweis: Je größer der Messwiderstand, um so größer ist auch das Rauschen, das dieser Widerstand erzeugt. Ein Kondensator parallel zu diesem (externen) Meßwiderstand verringert das Rauschen, beschneidet gleichzeitig allerdings auch die Frequenzbandbreite für die Aufzeichnung der Messwerte. Das ist für Gleichstrommessungen unerheblich. Wollen Sie Wechselströme messen, dann ist die maximale Frequenz durch R * C bestimmt: Dieses Produkt bestimmt die Filterzeitkonstante (in s) und damit Grenzfrequenz der messbaren Wechselströme.

Beispiel: Für R = 10 MOhm soll die Bandbreite noch f = 100 kHz betragen. Dieser Frequenz entspricht eine Filterzeitkonstante (tau) von 2 * pi / f = 6,28 * 10 exp(-5). Die größte Kapazität, die Sie damit einsetzen dürfen, ist dann

6,28 * 10exp(-5) / 10 exp(7) = 6,28 exp(-12) [F] = 6,28 pF.

Ein praktisch verfügbarer Wert wäre hier 6,8 pF bzw. 5,6 pF.

Für Gleichstrommessungen kann man theoretisch beliebig große Kondensatoren wählen, praktisch wird man sie auf einen Wert begrenzen, der z.B. noch den 50 Hz - Brumm reduziert, aber nicht endlose Einstellzeiten bei Stromänderungen verlangt. In diesem Beispiel wären also 68 nF (oder 100 nF) eine brauchbare Kapazität.