Statische Elektrizität ist die elektrische Aufladung eines Körpers. Dieser
Körper kann sowohl ein nicht leitender Körper wie z.B. ein Plastiklineal sein,
oder ein leitender Körper, der gegen seine Umgebung isoliert ist.
Entstehung der elektrostatischen Aufladung
Um einen Festkörper elektrostatisch aufzuladen, müssen Ladungen getrennt
werden. Dazu ist ein Kontakt und die anschließende Trennung der Körper notwendig.
Unter 'Kontakt' versteht man den molekularen Abstand der Körperoberflächen
zueinander, so dass Elektronen von einem Körper zum einem Anderen abgegeben bzw.
von diesem aufgenommen werden können.
Beim Kontakt zweier Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaustrittsarbeit
fließen Elektronen vom Material mit niedriger Austrittsarbeit in das Material
mit höherer Austrittsarbeit.
Unter Elektronenaustrittsarbeit versteht man die aufgewendete Mindestenergie, die
ein Elektron benötigt, um sich gerade aus einem Festkörper zu lösen. Das heißt,
aus einem Körper mit niedriger Austrittsarbeit lösen sich Elektronen leichter als aus
einem Körper mit hoher Austrittsarbeit. Metall ist ein Stoff mit niedriger
Elektronenaustrittsarbeit, da Metalle mehr frei Elektronen als Kunststoffe haben,
die eine hohe Austrittsarbeit aufweisen.
Zu Vergleichen ist dies mit dem Herausheben eines Koffers aus dem Kofferraum eines
Wagens mit hoher Ladekante entgegen der Schwerkraft. Bei den meisten Autos muss das
Gepäckstück erst über die besagte Ladekante gehoben werden, ehe man es draußen hat. Diese
Energie, diese Ladekante zu überwinden ist sozusagen die Austrittsarbeit.
Durch den Kontakt lädt sich der eine Körper positiv, der andere Körper negativ auf.
Es entsteht ein 'Kontaktpotential', das im Bereich von einigen mV bis zu ca.
einem Volt liegt. Die Höhe und die Polarität der Kontaktladung wird bestimmt durch
die Dielektrizitätskonstante. Das Material mit der größeren Dielektrizitätskonstante
wird positiv, das Material mit der kleineren Dielektrizitätskonstante negativ
aufgeladen. Die unten stehende Tabelle zeigt einen Auszug gebräuchlicher Materialien mit den
dazugehörigen Dielektrizitätskonstanten.
Material |
Dielektrizitäts-Konstante |
Polarität |
Luft |
1 |
+ |
Nylon |
5-9 |
|
Aluminium |
5-9 |
|
Papier |
5-6 |
|
Baumwolle |
5-6 |
|
Stahl |
5-6 |
|
Hartgummi |
2-4 |
|
Gold, Silber, Messing, Kupfer |
2-3 |
|
Polyethylen (PE) |
2 |
|
Polyvinylchlorid (PVC) |
3-4 |
|
Silizium |
11 |
|
Teflon |
2 |
- |
Da die Elektronenaustrittsarbeit noch von vielen anderen Parametern wie z.B.
Luftfeuchtigkeit, Verunreinigungen, Oxydation u.a. beeinflußt wird, kann die
Dielektrizitätskonstante nicht zur Bestimmung der Aufladung herangezogen werden.
Der Kontakt und die anschließende Trennung erzeugt überwiegend beim Zusammentreffen
von Metallen und Kunststoff sowie von Kunststoffen aufeinander eine statisches
Potential. Die darauf aufgebaute Erkenntnis, dass zum Ladungsaufbau auch Reibung
notwendig ist, ist nicht völlig korrekt. Die Reibung vergrößert lediglich die
Oberfläche, so dass eine höhere statisch-elektrische Ladung entsteht.
Die Höhe der Aufladespannung hängt also von den beteiligten Materialien, der
Geschwindigkeit beim Berühren und Trennen der Materialien und von der
vorherrschenden Luftfeuchtigkeit ab.
Kleidung mit hohem Kunstfaseranteil, Bodenbeläge aus Kunstfasern und Nadelfilz
können Aufladespannungen von mehr als 10000 Volt (V) erzeugen.
Wird diese Ladung durch Berühren von z.B. Halbleiterbauelementen
(Transistoren, ICs, Dioden etc.) schlagartig abgebaut, fließen sehr starke,
steilflankige Stromstöße mit Spitzenwerten von einigen Ampere in einer Zeit
von einigen Nanosekunden (0,000000001 sek = 1ns =eine milliardstel Sekunde).
So sind für Menschen erst Aufladungen ab ca. 3500 V als leichter elektrischer
Schlag zu spüren. Ab 4500 V ist ein Knistern zu hören und ab 5000 V wird ein
Funke sichtbar.
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