Statische Elektrizität ist ein allgegenwärtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Es ist überall um uns herum, manchmal lustig und offensichtlich – zum Beispiel, wenn dir die Haare zu Berge stehen – manchmal versteckt und nützlich, wie wenn es von der Elektronik in deinem Handy genutzt wird. Die trockenen Wintermonate sind Hochsaison für eine lästige Kehrseite der statischen Elektrizität – elektrische Entladungen wie winzige Blitzschläge, wenn Sie Türklinken oder warme Decken frisch aus dem Wäschetrockner berühren.
Statische Elektrizität ist eines der ältesten wissenschaftlichen Phänomene, die Menschen beobachtet und beschrieben haben. Der griechische Philosoph Thales von Milet machte den ersten Bericht; in seinen Schriften aus dem 6. Dreihundert Jahre später setzte Theophrastus Thales' Experimente fort, indem er verschiedene Arten von Steinen rieb und beobachtete auch die "Anziehungskraft". Aber keiner dieser Naturphilosophen fand eine befriedigende Erklärung für das, was er sah.
Es dauerte noch fast 2.000 Jahre, bis das englische Wort „Elektrizität“ erstmals geprägt wurde, basierend auf dem lateinischen „electricus“, was „ wie Bernstein “ bedeutet . Einige der berühmtesten Experimente wurden von Benjamin Franklin durchgeführt , um den zugrunde liegenden Mechanismus der Elektrizität zu verstehen, was einer der Gründe ist, warum sein Gesicht von dem 100-Dollar-Schein lächelt. Die Menschen erkannten schnell den möglichen Nutzen von Elektrizität.
Natürlich nutzten die Menschen im 18. Jahrhundert hauptsächlich statische Elektrizität bei Zaubertricks und anderen Darbietungen. Stephen Grays " fliegender Junge "-Experiment wurde zum Beispiel zu einer beliebten öffentlichen Demonstration: Gray benutzte einen Leydener Krug, um den an Seidenschnüren aufgehängten Jungen aufzuladen und dann zu zeigen, wie er mit statischer Elektrizität Buchseiten umblättern oder kleine Gegenstände einfach anheben konnte die statische Anziehung nutzen.
Aufbauend auf Franklins Erkenntnissen, einschließlich seiner Erkenntnis, dass elektrische Ladung in positiver und negativer Form vorliegt und dass die Gesamtladung immer erhalten bleibt, verstehen wir jetzt auf atomarer Ebene, was die elektrostatische Anziehung verursacht, warum sie Mini-Blitze verursachen kann und wie man sie nutzt was für die Verwendung in verschiedenen modernen Technologien ein Ärgernis sein kann.
Was sind diese winzigen Funken?
Statische Elektrizität beruht auf der Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen . Auf atomarer Ebene werden negative Ladungen von winzigen Elementarteilchen, den Elektronen, getragen. Die meisten Elektronen sind ordentlich in der Masse der Materie verpackt, sei es ein harter und lebloser Stein oder das weiche, lebendige Gewebe Ihres Körpers. Viele Elektronen sitzen jedoch auch direkt auf der Oberfläche eines jeden Materials. Jedes unterschiedliche Material hält diese Oberflächenelektronen mit seiner eigenen unterschiedlichen charakteristischen Stärke fest. Reiben zwei Materialien aneinander, können Elektronen aus dem „schwächeren“ Material herausgerissen werden und mit stärkerer Bindungskraft auf dem Material wiederfinden.
Dieser Elektronentransfer – was wir als Funken statischer Elektrizität kennen – findet ständig statt. Berüchtigte Beispiele sind Kinder, die eine Spielplatzrutsche hinunterrutschen, Füße über einen Teppich schlurfen oder jemand Wollhandschuhe auszieht, um sich die Hand zu schütteln.
Aber wir bemerken seine Wirkung häufiger in den trockenen Wintermonaten, wenn die Luft eine sehr niedrige Luftfeuchtigkeit hat . Trockene Luft ist ein elektrischer Isolator, während feuchte Luft als Leiter fungiert. Das passiert: In trockener Luft werden Elektronen mit der stärkeren Bindungskraft an der Oberfläche gefangen. Anders als bei feuchter Luft finden sie nicht wieder an die Oberfläche zurück, wo sie hergekommen sind, und sie können die Ladungsverteilung nicht wieder ausgleichen.
Ein statischer elektrischer Funke tritt auf, wenn ein Objekt mit einem Überschuss an negativen Elektronen in die Nähe eines anderen Objekts mit weniger negativer Ladung kommt und der Elektronenüberschuss groß genug ist, um die Elektronen "springen" zu lassen. Die Elektronen fließen von dort, wo sie sich aufgebaut haben – wie bei Ihnen, nachdem Sie über einen Wollteppich gegangen sind – zu dem nächsten Objekt, das keinen Elektronenüberschuss hat, wie zum Beispiel einer Türklinke.
Wenn Elektronen nirgendwohin können, baut sich die Ladung auf Oberflächen auf – bis sie ein kritisches Maximum erreicht und sich in Form eines winzigen Blitzes entlädt. Geben Sie den Elektronen einen Platz, wo sie hingehen können – wie zum Beispiel Ihren ausgestreckten Finger – und Sie werden den Zap mit Sicherheit spüren.
Die Kraft der Minifunken
Obwohl es manchmal ärgerlich ist, ist die Ladungsmenge der statischen Elektrizität normalerweise ziemlich gering und ziemlich unschuldig. Die Spannung kann etwa das 100-fache der Spannung typischer Steckdosen betragen. Diese enormen Spannungen sind jedoch kein Grund zur Sorge, da die Spannung nur ein Maß für den Ladungsunterschied zwischen Objekten ist. Die „gefährliche“ Größe ist der Strom, der angibt, wie viele Elektronen fließen. Da bei einer statischen elektrischen Entladung typischerweise nur wenige Elektronen übertragen werden, sind diese Zaps ziemlich harmlos .
Dennoch können diese kleinen Funken für empfindliche Elektronik, wie zum Beispiel die Hardwarekomponenten eines Computers, tödlich sein. Kleine Ströme, die von nur wenigen Elektronen getragen werden, können ausreichen, um sie versehentlich zu braten. Aus diesem Grund müssen die Arbeiter in der Elektronikindustrie geerdet bleiben, was im Wesentlichen eine kabelgebundene Verbindung ist, zu der die Elektronen wie eine leere Autobahn "Zuhause" aussehen. Auch die Erdung ist einfach, indem Sie ein Metallteil berühren oder einen Schlüssel in der Hand halten. Metalle sind sehr gute Leiter, und so gehen Elektronen gerne dorthin.
Eine ernstere Bedrohung ist eine elektrische Entladung in der Nähe von brennbaren Gasen. Deshalb ist es ratsam, sich zu erden, bevor Sie die Zapfsäulen an Tankstellen berühren; Sie möchten nicht, dass ein verirrter Funke verirrte Benzindämpfe verbrennt. Oder Sie können in ein antistatisches Armband investieren, das häufig von Arbeitern in der Elektronikindustrie verwendet wird, um Personen sicher zu erden, bevor sie an sehr empfindlichen elektronischen Komponenten arbeiten. Sie verhindern statische Aufladungen mit einem leitfähigen Band, das sich um Ihr Handgelenk wickelt.
Im Alltag ist die beste Methode, um Aufladungen zu reduzieren, das Betreiben eines Luftbefeuchters, um die Feuchtigkeit in der Luft zu erhöhen. Auch die Feuchtigkeit der Haut durch das Auftragen von Feuchtigkeitscremes kann einen großen Unterschied machen. Trocknertücher verhindern, dass sich beim Trocknen Ihrer Kleidung auflädt, indem Sie eine kleine Menge Weichspüler auf dem Tuch verteilen. Diese positiven Partikel gleichen lose Elektronen aus und die effektive Ladung wird aufgehoben, sodass Ihre Kleidung nicht aneinander geklebt aus dem Trockner kommt. Sie können auch Weichspüler auf Ihre Teppiche reiben, um eine Aufladung zu verhindern. Schließlich ist das Tragen von Baumwollkleidung und Schuhen mit Ledersohle besser als Wollkleidung und Schuhen mit Gummisohlen.
Statische Elektrizität nutzen
Trotz der Belästigung und möglichen Gefahren statischer Elektrizität hat es definitiv seine Vorteile.
Viele alltägliche Anwendungen moderner Technik sind entscheidend auf statische Elektrizität angewiesen. Zum Beispiel verwenden Fotokopierer eine elektrische Anziehung, um geladene Tonpartikel auf Papier zu "kleben". Lufterfrischer lassen nicht nur den Raum angenehm riechen, sondern beseitigen auch schlechte Gerüche, indem sie statische Elektrizität auf Staubpartikel ableiten und so den schlechten Geruch vertuschen.
Ebenso verwenden die Schornsteine in modernen Fabriken geladene Platten, um die Umweltverschmutzung zu reduzieren. Wenn sich Rauchpartikel den Schornstein hinaufbewegen, nehmen sie negative Ladungen von einem Metallgitter auf. Sobald sie aufgeladen sind, werden sie von Platten auf den anderen Seiten des Schornsteins angezogen, die positiv geladen sind. Schließlich werden die aufgeladenen Rauchpartikel von den zu entsorgenden Auffangplatten auf einer Wanne gesammelt.
Auch in der Nanotechnologie hat die statische Elektrizität Einzug gehalten , wo sie beispielsweise dazu verwendet wird, einzelne Atome mit Laserstrahlen aufzunehmen. Diese Atome können dann für alle möglichen Zwecke wie in verschiedenen Computeranwendungen manipuliert werden. Eine weitere spannende Anwendung in der Nanotechnologie ist die Steuerung von Nanoballons , die durch statische Elektrizität zwischen einem aufgeblasenen und einem kollabierten Zustand umgeschaltet werden können. Diese molekularen Maschinen könnten eines Tages Medikamente an bestimmte Gewebe im Körper abgeben.
Statische Elektrizität hat seit ihrer Entdeckung zweieinhalb Jahrtausende gelebt. Trotzdem ist es eine Kuriosität und ein Ärgernis – aber es hat sich auch als wichtig für unseren Alltag erwiesen.
Sebastian Deffner ist Assistenzprofessor für Physik an der University of Maryland, Baltimore County. Dieser Artikel wurde von Muhammed Ibrahim mitverfasst, der gemeinsam mit Deffner an der Reduzierung von Rechenfehlern in Quantenspeichern forscht.
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Den Originalartikel finden Sie hier .
