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Ein kleiner Leitfaden Entladung

Basiswissen

Übersicht


Etwas Basiswissen Elektrostatik

Elektrostatik hat viele Namen

Etwas Theorie

Reiben und Trennen ergibt Ladung

Elektrostatik = Staubmagnet


Elektrostatik hat viele Namen


Man kann Elektrostatik nicht riechen und nicht schmecken. Aber man kann sie fühlen und sogar sichtbar machen. Bittet man Jemanden den Begriff Elektrostatik zu definieren, so erhält man Antworten wie: „Elektrostatik ist wie Hexerei, Voodoozauber“ oder „Man bekommt eine gewischt“. Fragt man Damen mit langen Haaren, steht die Antwort auch schon fest: „Die Haare stellen sich auf“, Praktisch jeder konnte auch schon beobachten, dass manch leichter Gegenstand ganz ohne Kleber wie von Geisterhand irgendwo kleben geblieben ist. Bei genauerer Beobachtung und etwas Geduld lässt sich auch feststellen, dass Elektrostatik auch Staub anzieht. Elektrostatik kann tatsächlich also auch als „Staubmagnet“ bezeichnet werden. Neben diesem Staubmagnet können noch sehr viel mehr durch Elektrostatik verursachte Probleme auftreten. Mögliche Funkenentladungen können zu Bränden oder Explosionen führen. Kraftwirkungen die von den Ladungsfeldern ausgehen führen zu Klebeeffekten, Schäden, Zerstörungen oder erhöhten Ausschussraten. Beim Wiegen und Dosieren in Abfüllbereichen können sich Ungenauigkeiten einschleichen. Diese aufgezählten Probleme sind nur ein paar der Effekte mit denen diese Elektrostatik einem das Arbeitsleben schwer machen kann. 

Bekannt ist Elektrostatik auch unter verschiedenen anderen Begriffen wie "Reibungsladung", "Ruhende Ladung", "Oberflächenladung", "Trennladung". Betrachten wir das mal etwas näher durch die Augen eines Nichtwissenschaftlers.


Etwas Theorie


Schon im Altertum fanden aufmerksame Beobachter heraus, dass bestimmte Materialien Partikel anziehen, nachdem man an ihrer Oberfläche gerieben hat. Ein schönes Beispiel findet sich, wenn man einen Bernstein oder ein Kunststofflineal kräftig durch seine Haare reibt. Direkt nach dem Reiben stehen einem nicht nur die Haare zu Berge, sondern kleine leichte Papierschnipsel oder Fusseln lassen sich wie von Geisterhand zum Springen bringen. Manch Partikel bleibt auch an der nun elektrisch geladenen Oberfläche des Bernsteins oder des Lineals hängen.

Durch diese Reibung hat man an der Oberfläche dieser Materialien, elektrostatische Ladung erzeugt. Es entstanden positiv oder negativ geladene elektrische Felder an den Oberflächen dieser nicht elektrisch leitenden, isolierenden Materialien. Bernstein, Harz und Kunststoff sind ausgezeichnete Isolatoren und neigen dazu sich sehr stark elektrostatisch aufzuladen. Der Begriff "statisch" kommt übrigens aus dem Griechischen und bedeutet "stillstehend". Wir haben es also mit "stehender" oder anders gesagt mit "ruhender" elektrischer Ladung zu tun.

Wie lässt sich dies erklären? Nun, wenn zwei Oberflächen aneinander gerieben werden geschieht etwas mit den zunächst elektrisch neutralen Atomen an den beiden aneinander reibenden Oberflächen.

Etwas genauer: Gehen wir mal von dem Modell eines Atoms aus, wie es im Jahre 1913 von dem dänischen Physiker Niels Bohr (*1885 - *†1962) entwickelt wurde. Die folgenden kleinen Animationen sollen dies einfach dargestellt verdeutlichen.














Proton, Ladung positiv

Neutron, Ladung neutral

Elektron, Ladung negativ

Ein elektrisch neutrales Atom


Die Anzahl der Protonen (positiv, rot)

im Kern stimmt mit der Anzahl der

Elektronen (negativ, blau) auf den

Elektronenbahnen überein.

Berühren sich an den Oberflächen der beiden aneinander geriebenen Materialien zwei Atome, tauschen diese zunächst untereinander ein Elektron aus. Werden diese beiden Atom nun wieder getrennt bleibt ein Atom zurück, das ein Elektron (negativ) zu viel hat. Es ist ein negativ geladenes Atom, also ein negatives Ion  entstanden.

Ein negativ geladenes Atom = Negatives Ion


Auf den Elektronenbahnen befindet sich ein

Elektron (negativ, blau) mehr, als es der Anzahl

der Protonen (positiv, rot) im Kern entspricht.

Dem anderen Atom fehlt nun dieses eine Elektron. Es hat jetzt im Verhältnis ein positives Proton mehr als es negative Elektronen besitzt. Die positive Ladung überwiegt nun. Wir haben nun auch noch ein positives Ion.

Ein positiv geladenes Atom = Positives Ion


Auf den Elektronenbahnen befindet sich ein

Elektron (negativ, blau) weniger, als es der Anzahl der Protonen (positiv, rot)

im Kern entspricht.

‍Reiben ‍und ‍Trennen ‍ergibt ‍Ladung


‍Vereinfacht ‍beschrieben ‍tauschen ‍Atome ‍bei ‍Berührung ‍und ‍anschließender ‍Trennung ‍untereinander ‍Elektronen ‍aus. ‍Zurück ‍bleiben ‍Atome ‍mit ‍einer ‍positiven ‍oder ‍einer ‍negativen ‍elektrischen ‍Ladung. ‍Reiben ‍zwei ‍Oberflächen ‍besonders ‍intensiv ‍aneinander, ‍findet ‍dementsprechend ‍ein ‍intensiver ‍Elektronenaustausch ‍zwischen ‍den ‍Atomen ‍statt. ‍Es ‍entstehen ‍positive ‍und ‍negative ‍Ladungsfelder. ‍Bei ‍elektrisch ‍leitfähigen ‍Oberflächen ‍bleiben ‍diese ‍Ladungsfelder ‍natürlich ‍nicht ‍stehen. ‍Die ‍Ladung ‍kann ‍abfließen. ‍Genauer: ‍fehlende ‍Elektronen ‍können ‍zu ‍den ‍Atomen ‍hin ‍fließen, ‍überschüssige ‍Elektronen ‍fließen ‍ab. ‍Es ‍kann ‍sich ‍dabei ‍also ‍kein ‍ruhendes ‍elektrisches ‍Feld ‍auf ‍einer ‍elektrisch ‍leitfähigen ‍Oberfläche ‍bilden.

‍Anders ‍verhält ‍es ‍sich ‍bei ‍den ‍sogenannten ‍Isolatoren ‍wie ‍beispielsweise ‍Kunststoffe, ‍Glas, ‍Porzellan ‍oder ‍Harz. ‍Auf ‍deren ‍Oberfläche ‍oder ‍durch ‍sie ‍hindurch ‍können ‍keine ‍Elektronen ‍zu- ‍oder ‍abfließen. ‍Dort ‍bleiben ‍positive ‍und ‍negative ‍Ladungsfelder ‍zurück. ‍Das ‍wäre ‍dann ‍diese ‍sogenannte ‍Elektrostatik ‍um ‍die ‍es ‍hier ‍geht. ‍Von ‍diesen ‍positiven ‍und ‍negativen ‍elektrostatischen ‍Ladungsfeldern, ‍die ‍während ‍der ‍Ladungstrennung ‍entstanden ‍sind, ‍gehen ‍nun ‍Feldlinien ‍in ‍den ‍Raum ‍heraus. ‍Im ‍kleinen ‍Video ‍links ‍sind ‍diese ‍grün ‍dargestellt. ‍Mit ‍diesen ‍Feldlinien ‍oder ‍besser ‍gesagt ‍mit ‍den ‍Kräften ‍die ‍aus ‍diesen ‍Feldlinien ‍resultieren ‍haben ‍wir ‍alle ‍schon ‍des ‍Öfteren ‍Bekanntschaft ‍gemacht. ‍Zieht ‍man ‍sich ‍einen ‍Pullover ‍über ‍den ‍Kopf, ‍stehen ‍einem ‍die ‍Haare ‍entlang ‍der ‍Feldlinien ‍zu ‍Berge.


‍Elektrostatik ‍= ‍Staubmagnet


‍Entlang ‍der ‍Feldlinien ‍macht ‍sich ‍auch ‍ein ‍besonderer ‍Effekt ‍"Elektrostatik ‍= ‍Staubmagnet" ‍bemerkbar. ‍Von ‍isolierenden ‍Oberflächen ‍an ‍die ‍man ‍gerade ‍gerieben ‍hat ‍gehen ‍viele ‍Feldlinien ‍mit ‍Kraftwirkung ‍in ‍den ‍Raum ‍heraus. ‍Die ‍Kraftwirkung ‍ist ‍so ‍groß, ‍dass ‍entlang ‍der ‍Feldlinien ‍kleine ‍leichte ‍Partikel ‍wie ‍Staubpartikel ‍oder ‍Fusseln ‍angezogen ‍werden ‍und ‍sich ‍auf ‍der ‍geladenen ‍Oberfläche ‍ablagern. ‍Dies ‍ist ‍auch ‍das ‍Prinzip ‍das ‍den ‍elektrostatischen ‍Raumluftfiltern ‍zugrunde ‍liegt. ‍Nur ‍sieht ‍man ‍diese ‍Art ‍der ‍Wirkung ‍der ‍elektrostatischen ‍Ladung ‍in ‍den ‍meisten ‍Fällen ‍weniger ‍vorteilhaft. ‍Dieser ‍Staubmagnet ‍zieht ‍entlang ‍seiner ‍Feldlinien ‍nämlich ‍wirklich ‍alles ‍an. ‍In ‍der ‍Raumluft ‍schwebende ‍Staubpartikel ‍oder ‍wie ‍in ‍den ‍Bildern ‍zu ‍sehen, ‍kleinste ‍Kunststoffpartikel. ‍Je ‍nachdem ‍wie ‍die ‍Feldlinien ‍in ‍den ‍Raum ‍heraus ‍stehen, ‍so ‍ziehen ‍sie ‍die ‍Partikel ‍an. ‍Egal ‍wie, ‍auf ‍jeden ‍Fall ‍bleibt ‍eine ‍elektrostatisch ‍geladene ‍Oberfläche ‍nicht ‍sauber. ‍Es ‍entstehen ‍teilweise ‍sehr ‍ansehnliche ‍"Wolken" ‍oder ‍sogar ‍interessante ‍Figuren, ‍gebildet ‍von ‍den ‍angezogenen ‍Partikeln. ‍Der ‍Physiker ‍Georg ‍Christoph ‍Lichtenberg ‍(*1742 ‍- ‍†1799) ‍hatte ‍diesen ‍Effekt ‍erstmals ‍entdeckt ‍und ‍beschrieben. ‍Hier ‍ein ‍paar ‍Aufnahmen ‍der ‍nach ‍ihm ‍benannten ‍Figuren, ‍den ‍Lichtenberg-Figuren.

Feines Kunststoffpulver bildet Lichtenberg-Figuren auf blauen Transportkisten