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Hintergrundinformationen Ionisation / Elektrostatisches Management

Statische Elektrizität

Statische Elektrizität ist ein häufig auftretendes Phänomen. Der elektrostatische Grundzustand ist ein Gleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen. Damit repräsentieren elektrisch neutrale Gegenstände einen natürlichen Zustand, der angestrebt wird.

Statische Aufladung tritt auf, wenn Moleküle auf der Oberfläche eines Gegenstandes aufgeladen oder polarisiert werden. Die Aufladung kann ein negatives (Elektronenüberschuss) oder positives (Elektronenmangel) Vorzeichen haben. Jede Materialart kann mit statischer Elektrizität aufgeladen werden. Die bekanntesten Erzeugungsmechanismen für statische Elektrizität sind die Induktion und die reibungselektrische (triboelektrische) Aufladung.

Materialien, in denen sich elektrische Ladungen bewegen, werden elektrische Leiter genannt. Nichtleitende (elektrisch isolierende) Materialien erlauben hingegen keine Elektronenbewegung. Die meisten Metalle sind vorzügliche elektrische Leiter. Kunststoffe, Quarz und Glas sind typische Nichtleiter.

Aufladung durch Induktion

Induktionseffekte basieren auf bewegten elektrischen Feldern. Das Bewegen eines Gegenstandes durch ein elektrostatisches Feld führt zur Ausbildung einer Oberflächenladung. Eine Berührung zwischen aufgeladenem Gegenstand und Quelle des elektrischen Feldes findet dabei nicht statt. Die Ladungspolarität des Gegenstandes nach Induktion ist exakt entgegengesetzt zur Polarität des ursächlichen Feldes.

Ist der aufgeladene Gegenstand ein geerdeter elektrischer Leiter, fließt die erzeugte Induktionsladung schnell ab. Bei einem Nichtleiter verbleibt die Induktionsladung auf der Oberfläche – selbst dann, wenn der Nichtleiter geerdet sein sollte.

Triboelektrische Aufladung

Der häufigste ladungserzeugende Störeffekt ist die Aufladung durch Reibung oder durch Kontakt. An diesem triboelektrischen Effekt sind mindestens zwei Materialien beteiligt, deren Grenzschichten miteinander Kontakt haben. Bei Trennung der Kontaktpartner verliert eine Oberfläche Elektronen und wird positiv aufgeladen, während das Gegenstück die Elektronen aufnimmt und eine negative Aufladung erfährt. Sind die getrennten Oberflächen elektrische Isolatoren oder ungeerdet, bleiben die getrennten Ladungen erhalten.

Ob Feststoff, Gas, Flüssigkeit, Leiter oder Nichtleiter – jedes Material kann reibungselektrisch (triboelektrisch) geladen werden. Spannungshöhe und Ladungspolarität sind allerdings abhängig von spezifischen Materialeigenschaften. Neben der chemischen Materialidentität sind für die Effektivität der Ladungserzeugung folgende Aspekte relevant:

Glatte Oberflächen erzeugen gewöhnlich größere Aufladungen. Größere Oberflächen, höhere Geschwindigkeiten und höhere Anpressdrücke unterstützen ebenfalls hohe Aufladungen. Die ausgebildeten Spannungen können durchaus in den Megavolt-Bereich (106 Volt) gehen. Die chemische Materialidentität bestimmt wesentlich die Ladungserzeugung. Ein wichtiges Werkzeug zur Materialcharakterisierung ist in diesem Zusammenhang die triboelektrische Reihe.

Triboelektrische Reihe

Diese Materialliste stellt dar, mit welcher Effektivität ein Material (von einem Kontaktpartner) positiv oder negativ geladen werden kann. Kontaktoberflächen aus dem oberen Teil der Reihe werden positiv aufgeladen, Partner aus dem unteren Abschnitt enden mit Elektronenüberschuss. Je weiter die Materialpaare in der Liste voneinander entfernt sind, desto effektiver erfolgt die Ladungsbildung. Gleichnamige Partner erzeugen – als Spezialfall der Liste – keine Trennungsladungen. Gemäß dieser Reihe erfahren gute Isolationsstoffe wie Plexiglas und Teflon Aufladungen von teilweise auf mehr als 25.000 V (negativ). Glas kann im gleichen Größenordnungsbereich aufgeladen sein – allerdings mit gegensätzlicher (positiver) Polarität.

Ein hocheffizientes Paar zur triboelektrischen Ladungserzeugung sind demnach Glas und Teflon.

Elektrische Leiter sind Bestandteil der triboelektrischen Reihe. Die Ladungserzeugung auf einem Leiter ist allerdings nur dann nachzuweisen, wenn keine Erdung vorliegt. Eingangs wurde erwähnt, dass die Natur grundsätzlich zu einem Ladungsausgleich tendiert. Selbst wenn der Prozess zur Ladungserzeugung sich oft nur in Sekundenbruchteilen vollzieht, kann die Neutralisierung viele Stunden dauern.

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