Jeder hat schon einmal statische Elektrizität erlebt. Zum Beispiel, wenn man beim Kämmen der Haare einen Funken im Spiegel sieht oder wenn man im Winter einen Türknauf berührt, nachdem man über einen Teppich gelaufen ist. Der Funke, den Sie sehen, ist eine „Entladung“ der statischen Elektrizität. Warum nennt man sie statische Elektrizität? Sie heißt „statisch“, weil die Ladungen in einem Bereich getrennt bleiben und sich nicht in einen anderen Bereich bewegen oder „fließen“, wie es bei der in einem Draht fließenden Elektrizität der Fall ist, die als Strom bezeichnet wird.
Die statische Elektrizität war schon den alten Griechen bekannt, die wussten, dass man Dinge durch einfaches Reiben statisch „aufladen“ konnte, aber sie hatten keine Ahnung, dass man dieselbe Energie zur Erzeugung von Licht oder zum Antrieb von Maschinen nutzen konnte. Es war Benjamin Franklin, der dazu beitrug, die Elektrizität in den Vordergrund zu rücken. Er glaubte, man könne Elektrizität aus Blitzen gewinnen.
Was genau ist statische Elektrizität?
Statische Elektrizität ist im Grunde ein Ungleichgewicht elektrischer Ladungen in oder auf der Oberfläche eines Materials. Die Ladung bleibt bestehen, bis sie „entladen“ ist. Eine statische elektrische Ladung kann immer dann entstehen, wenn sich zwei Oberflächen berühren und trennen und mindestens eine der Oberflächen einen hohen Widerstand gegen elektrischen Strom aufweist (und daher ein elektrischer Isolator ist). Der bekannte Funken, den man bei einem statischen Schock sieht, ist eine elektrostatische Entladung, die durch die Neutralisierung der Ladung entsteht.
Woher kommt diese Ladung?
Wir wissen, dass alle Gegenstände aus Atomen bestehen und dass Atome aus Protonen, Elektronen und Neutronen zusammengesetzt sind. Die Protonen sind positiv geladen, die Elektronen sind negativ geladen, und die Neutronen sind neutral. Daher sind alle Dinge aus Ladungen aufgebaut. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an (negativ zu positiv). Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab (positiv zu positiv oder negativ zu negativ). Meistens halten sich positive und negative Ladungen in einem Objekt die Waage, so dass dieses Objekt neutral ist, wie es bei Molekülen der Fall ist.
Statische Elektrizität ist das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen negativen und positiven Ladungen in einem Objekt. Diese Ladungen können sich auf der Oberfläche eines Objekts ansammeln, bis sie einen Weg finden, um freigesetzt oder entladen zu werden. Wenn man bestimmte Materialien aneinander reibt, können negative Ladungen, also Elektronen, übertragen werden. Wenn Sie zum Beispiel mit Ihrem Schuh über den Teppich reiben, nimmt Ihr Körper zusätzliche Elektronen vom Teppich auf. Die Elektronen bleiben an Ihrem Körper haften, bis sie freigesetzt werden können, wie es der Fall ist, wenn Sie einen metallenen Türgriff berühren.
„… Das Phänomen der statischen Elektrizität erfordert eine Trennung von positiven und negativen Ladungen. Wenn zwei Materialien in Kontakt sind, können Elektronen von einem Material zum anderen wandern, wodurch ein Überschuss an positiver Ladung auf dem einen und eine gleich große negative Ladung auf dem anderen Material zurückbleibt. Wenn die Materialien getrennt werden, behalten sie dieses Ladungsungleichgewicht bei…“
Warum richten sich die Haare auf, wenn man den Hut abnimmt?
Wenn man den Hut abnimmt, werden Elektronen vom Hut auf die Haare übertragen – warum richten sich die Haare auf? Da Objekte mit der gleichen Ladung sich gegenseitig abstoßen, werden die Haare, wenn sie mehr Elektronen bekommen, die gleiche Ladung haben und sich aufrichten. Deine Haare versuchen einfach, sich so weit wie möglich voneinander zu entfernen!
Was ist der triboelektrische Effekt?
Der triboelektrische Effekt ist eine Art von Kontaktelektrisierung, bei der bestimmte Materialien elektrisch aufgeladen werden, nachdem sie mit einem anderen Material in Kontakt gekommen sind, und dann getrennt werden.
Die meiste statische Elektrizität im Alltag ist triboelektrisch. Die Polarität und die Stärke der erzeugten Ladungen unterscheiden sich je nach Material, Oberflächenrauhigkeit, Temperatur, Belastung und anderen Eigenschaften.
Der triboelektrische Effekt wird heute mit dem Phänomen der Adhäsion in Verbindung gebracht, bei dem zwei Materialien, die aus verschiedenen Molekülen bestehen, aufgrund der Anziehung zwischen den verschiedenen Molekülen dazu neigen, aneinander zu haften. Chemische Adhäsion tritt auf, wenn die Oberflächenatome zweier getrennter Oberflächen Ionen-, Kovalenz- oder Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Unter diesen Bedingungen findet ein Elektronenaustausch zwischen den verschiedenen Arten von Molekülen statt, was zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen den Molekülen führt, die sie zusammenhält.
Abhängig von den triboelektrischen Eigenschaften der Materialien kann ein Material einige der Elektronen des anderen Materials „einfangen“. Wenn die beiden Materialien nun voneinander getrennt sind, entsteht ein Ladungsungleichgewicht.
Beispiele für triboelektrische Reihen, die Elektronen abgeben:
POSITIVE LADUNG – Trockene menschliche Haut > Leder > Kaninchenfell > Glas > Haare > Nylon > Wolle > Blei > Seide> Aluminium > Papier KLEINSTE POSITIVE LADUNG
Beispiele für triboelektrische Reihen, die Elektronen abgeben:
NEGATIVE CHARGE – Teflon > Silikon > PVC > Klebeband > Frischhaltefolie > Styropor > Polyester > Gold > Nickel > Gummi – NIEDRIGSTE NEGATIVE LADUNG
Erzeugung statischer Elektrizität mit einem Van-de-Graaf-Generator
Ein Van-de-Graaff-Generator ist ein elektrostatischer Generator, der einen sich bewegenden Riemen verwendet, um elektrische Ladung auf einer hohlen Metallkugel an der Spitze einer isolierten Säule zu sammeln. Dadurch können sehr hohe elektrische Potentiale erzeugt werden. Er erzeugt Gleichstrom mit sehr hoher Spannung bei niedrigen Stromstärken. Sie wurde 1929 von dem amerikanischen Physiker Robert J. Van de Graaff erfunden. (Siehe Verweis unten in Scientific American) Die in modernen Van-de-Graaff-Generatoren erreichte Potenzialdifferenz kann bis zu 5 Megavolt erreichen. Eine Tischversion kann etwa 100.000 Volt erzeugen und genug Energie speichern, um einen sichtbaren Funken zu erzeugen. Kleine Van-de-Graaff-Maschinen werden für Unterhaltungszwecke und im Physikunterricht für den Elektrostatikunterricht hergestellt.
