Elektrostatik

Elektrostatischer Effekt: Schaumstoff-Erdnüsse, die aufgrund statischer Elektrizität am Fell einer Katze haften. Der triboelektrische Effekt bewirkt, dass sich durch die Bewegungen der Katze eine elektrostatische Ladung auf der Oberfläche des Fells aufbaut. Das elektrische Feld der Ladung bewirkt eine Polarisierung der Schaumstoffmoleküle durch elektrostatische Induktion, was zu einer leichten Anziehung der leichten Kunststoffteile auf das geladene Fell führt. Dieser Effekt ist auch die Ursache für die statische Anziehung von Kleidung. ⓘ

Die Elektrostatik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit elektrischen Ladungen im Ruhezustand (statische Elektrizität) befasst. ⓘ

Seit dem Altertum ist bekannt, dass einige Materialien, wie z. B. Bernstein, nach dem Reiben leichte Teilchen anziehen. Das griechische Wort für Bernstein, ἤλεκτρον (ḗlektron), war somit der Ursprung des Wortes "Elektrizität". Elektrostatische Phänomene entstehen durch die Kräfte, die elektrische Ladungen aufeinander ausüben. Solche Kräfte werden durch das Coulombsche Gesetz beschrieben. ⓘ

Obwohl elektrostatisch induzierte Kräfte eher schwach zu sein scheinen, sind einige elektrostatische Kräfte relativ groß. Die Kraft zwischen einem Elektron und einem Proton, die zusammen ein Wasserstoffatom bilden, ist etwa 36 Größenordnungen stärker als die zwischen ihnen wirkende Gravitationskraft. ⓘ

Es gibt viele Beispiele für elektrostatische Phänomene, von so einfachen wie der Anziehungskraft von Plastikfolie auf die eigene Hand, nachdem sie aus einer Verpackung genommen wurde, bis hin zur scheinbar spontanen Explosion von Getreidesilos, der Beschädigung elektronischer Bauteile während der Herstellung und dem Betrieb von Fotokopierern und Laserdruckern. Bei der Elektrostatik geht es um den Aufbau von Ladungen auf der Oberfläche von Gegenständen durch den Kontakt mit anderen Oberflächen. Obwohl der Ladungsaustausch immer dann stattfindet, wenn sich zwei Oberflächen berühren und trennen, werden die Auswirkungen des Ladungsaustauschs in der Regel nur dann bemerkt, wenn mindestens eine der Oberflächen einen hohen Widerstand gegen den elektrischen Fluss aufweist, weil die übertragenen Ladungen dort lange genug eingeschlossen sind, um ihre Auswirkungen zu beobachten. Diese Ladungen verbleiben dann auf dem Objekt, bis sie entweder in den Boden abfließen oder durch eine Entladung schnell neutralisiert werden. Das bekannte Phänomen eines statischen "Schocks" wird durch die Neutralisierung von Ladungen verursacht, die sich im Körper durch den Kontakt mit isolierten Oberflächen gebildet haben. ⓘ

Blitze als Folge von elektrostatischer Aufladung ⓘ

Die Elektrostatik ist ein Spezialfall der Elektrodynamik für unbewegte elektrische Ladungen und stationäre, d. h. zeitlich gleichbleibende elektrische Felder. Die Elektrostatik findet ihr Analogon in der Magnetostatik, die sich mit stationären Magnetfeldern befasst, wie sie beispielsweise von zeitlich gleichbleibenden elektrischen Strömen erzeugt werden. ⓘ

Coulombsches Gesetz

Das Coulombsche Gesetz besagt Folgendes: Die Größe der elektrostatischen Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen zwei Punktladungen ist direkt proportional zum Produkt der Größen der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. ⓘ

Die Kraft wirkt entlang der Geraden, die sie verbindet. Wenn die beiden Ladungen das gleiche Vorzeichen haben, ist die elektrostatische Kraft zwischen ihnen abstoßend; wenn sie unterschiedliche Vorzeichen haben, ist die Kraft zwischen ihnen anziehend. ⓘ

Wenn $r$ der Abstand (in Metern) zwischen zwei Ladungen ist, dann ist die Kraft (in Newton) zwischen zwei Punktladungen $q$ und $Q$ (in Coulomb) ist:

$F={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {qQ}{r^{2}}}=k_{0}{\frac {qQ}{r^{2}}}\,,$ ⓘ

Dabei ist ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums oder die Dielektrizitätskonstante des freien Raums:

$\varepsilon _{0}\approx 8.854\ 187\ 817\times 10^{-12}\;\;\mathrm {C^{2}\ N^{-1}\ m^{-2}} .$ ⓘ

Die SI-Einheiten von ε₀ sind entsprechend A²s⁴ kg-1m-3 oder C²N-1m-2 oder F m-1. Die Coulombsche Konstante ist:

$k_{0}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\approx 8.987\ 551\ 792\times 10^{9}\;\;\mathrm {N\ m^{2}\ C} ^{-2}.$ ⓘ

Ein einzelnes Proton hat die Ladung e, und das Elektron hat die Ladung -e, wobei,

$e=1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;\;\mathrm {C} .$ ⓘ

Diese physikalischen Konstanten (ε₀, k₀, e) sind derzeit so definiert, dass e genau definiert ist und ε₀ und k₀ gemessene Größen sind. ⓘ

Elektrisches Feld

Das elektrostatische Feld (Linien mit Pfeilen) einer nahegelegenen positiven Ladung (+) bewirkt, dass sich die beweglichen Ladungen in leitenden Objekten aufgrund elektrostatischer Induktion trennen. Negative Ladungen (blau) werden angezogen und bewegen sich zur Oberfläche des Objekts, die der äußeren Ladung zugewandt ist. Positive Ladungen (rot) werden abgestoßen und bewegen sich zur abgewandten Oberfläche. Diese induzierten Oberflächenladungen haben genau die richtige Größe und Form, so dass ihr entgegengesetztes elektrisches Feld das elektrische Feld der externen Ladung im gesamten Inneren des Metalls aufhebt. Daher ist das elektrostatische Feld überall im Inneren eines leitfähigen Objekts gleich Null, und das elektrostatische Potenzial ist konstant. ⓘ

Das elektrische Feld, ${\vec {E}}$das in Newton pro Coulomb oder Volt pro Meter angegeben wird, ist ein Vektorfeld, das überall definiert werden kann, außer am Ort von Punktladungen (wo es ins Unendliche divergiert). Es ist definiert als die elektrostatische Kraft ${\vec {F}}\,$ in Newton auf eine hypothetische kleine Testladung an dem Punkt aufgrund des Coulomb-Gesetzes, geteilt durch die Größe der Ladung $q\,$ in Coulombs

${\vec {E}}={{\vec {F}} \over q}$ ⓘ

Elektrische Feldlinien sind nützlich zur Veranschaulichung des elektrischen Feldes. Feldlinien beginnen an einer positiven Ladung und enden an einer negativen Ladung. Sie verlaufen parallel zur Richtung des elektrischen Feldes an jedem Punkt, und die Dichte dieser Feldlinien ist ein Maß für die Stärke des elektrischen Feldes an einem bestimmten Punkt. ⓘ

Betrachten wir eine Ansammlung von $N$ Teilchen der Ladung $Q_{i}$, die sich an Punkten ${\vec {r}}_{i}$ (Quellpunkte genannt), so ist das elektrische Feld an ${\vec {r}}$ (genannt Feldpunkt) ist:

${\vec {E}}({\vec {r}})={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{N}{\frac {{\widehat {\mathcal {R}}}_{i}Q_{i}}{\left\|{\mathcal {\vec {R}}}_{i}\right\|^{2}}},$ ⓘ

wobei ${\vec {\mathcal {R}}}_{i}={\vec {r}}-{\vec {r}}_{i},$ der Verschiebungsvektor von einem Quellpunkt ${\vec {r}}_{i}$ zum Feldpunkt ${\vec {r}}$und ${\widehat {\mathcal {R}}}_{i}={\vec {\mathcal {R}}}_{i}/\left\|{\vec {\mathcal {R}}}_{i}\right\|$ ein Einheitsvektor ist, der die Richtung des Feldes angibt. Für eine einzelne Punktladung im Ursprung ist der Betrag dieses elektrischen Feldes $E=k_{e}Q/{\mathcal {R}}^{2},$ und zeigt von dieser Ladung weg, wenn sie positiv ist. Die Tatsache, dass die Kraft (und damit das Feld) durch Summierung aller Beiträge der einzelnen Quellteilchen berechnet werden kann, ist ein Beispiel für das Superpositionsprinzip. Das elektrische Feld, das durch eine Ladungsverteilung erzeugt wird, ist durch die Volumenladungsdichte $\rho ({\vec {r}})$ und kann durch Umwandlung dieser Summe in ein dreifaches Integral erhalten werden:

${\vec {E}}({\vec {r}})={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\iiint {\frac {{\vec {r}}-{\vec {r}}\,'}{\left\|{\vec {r}}-{\vec {r}}\,'\right\|^{3}}}\rho ({\vec {r}}\,')\,\mathrm {d} ^{3}r\,'$ ⓘ

Gaußsches Gesetz

Das Gaußsche Gesetz besagt, dass "der gesamte elektrische Fluss durch eine beliebige geschlossene Fläche im freien Raum, die in ein elektrisches Feld gezogen wird, proportional zur gesamten elektrischen Ladung ist, die von der Fläche eingeschlossen wird". Mathematisch gesehen hat das Gauß'sche Gesetz die Form einer Integralgleichung:

$\oint _{S}{\vec {E}}\cdot \mathrm {d} {\vec {A}}={\frac {1}{\varepsilon _{0}}}\,Q_{\text{enclosed}}=\int _{V}{\rho \over \varepsilon _{0}}\cdot \mathrm {d} ^{3}r,$ ⓘ

wobei $\mathrm {d} ^{3}r=\mathrm {d} x\ \mathrm {d} y\ \mathrm {d} z$ ist ein Volumenelement. Wenn die Ladung über eine Fläche oder entlang einer Linie verteilt ist, ersetzen Sie $\rho \,\mathrm {d} ^{3}r$ durch $\sigma \,\mathrm {d} A$ oder $\lambda \,\mathrm {d} \ell$. Mit dem Divergenztheorem kann das Gaußsche Gesetz in Differentialform geschrieben werden:

${\vec {\nabla }}\cdot {\vec {E}}={\rho \over \varepsilon _{0}}.$ ⓘ

wobei ${\vec {\nabla }}\cdot$ ist der Divergenzoperator. ⓘ

Poisson- und Laplace-Gleichungen

Die Definition des elektrostatischen Potenzials in Verbindung mit der Differentialform des Gaußschen Gesetzes (siehe oben) liefert eine Beziehung zwischen dem Potenzial Φ und der Ladungsdichte ρ:

${\nabla }^{2}\phi =-{\rho \over \varepsilon _{0}}.$ ⓘ

Diese Beziehung ist eine Form der Poissonschen Gleichung. In Abwesenheit ungepaarter elektrischer Ladung wird die Gleichung zur Laplace-Gleichung:

${\nabla }^{2}\phi =0,$ ⓘ

Elektrostatische Näherung

Die Gültigkeit der elektrostatischen Näherung beruht auf der Annahme, dass das elektrische Feld nicht rotierend ist:

${\vec {\nabla }}\times {\vec {E}}=0.$ ⓘ

Aus dem Faraday'schen Gesetz ergibt sich, dass es keine oder fast keine zeitlich veränderlichen Magnetfelder gibt:

${\partial {\vec {B}} \over \partial t}=0.$ ⓘ

Mit anderen Worten, die Elektrostatik erfordert nicht die Abwesenheit von Magnetfeldern oder elektrischen Strömen. Wenn es Magnetfelder oder elektrische Ströme gibt, dürfen sie sich nicht oder schlimmstenfalls nur sehr langsam mit der Zeit verändern. Bei einigen Problemen können sowohl Elektrostatik als auch Magnetostatik für genaue Vorhersagen erforderlich sein, aber die Kopplung zwischen den beiden kann trotzdem ignoriert werden. Elektrostatik und Magnetostatik können beide als galileische Grenzen für den Elektromagnetismus betrachtet werden. ⓘ

Elektrostatisches Potenzial

Da das elektrische Feld nicht rotierend ist, kann es als Gradient einer Skalarfunktion ausgedrückt werden, $\phi$auszudrücken, die als elektrostatisches Potenzial (auch als Spannung bezeichnet) bezeichnet wird. Ein elektrisches Feld, $E$zeigt von Regionen mit hohem elektrischem Potenzial zu Regionen mit niedrigem elektrischem Potenzial, mathematisch ausgedrückt als

${\vec {E}}=-{\vec {\nabla }}\phi .$ ⓘ

Mit Hilfe des Gradiententheorems lässt sich feststellen, dass das elektrostatische Potenzial die Arbeit pro Ladungseinheit ist, die erforderlich ist, um eine Ladung von einem Punkt $a$ zum Punkt $b$ mit dem folgenden Linienintegral:

$-\int _{a}^{b}{{\vec {E}}\cdot \mathrm {d} {\vec {\ell }}}=\phi ({\vec {b}})-\phi ({\vec {a}}).$ ⓘ

Aus diesen Gleichungen geht hervor, dass das elektrische Potenzial in jedem Bereich konstant ist, in dem das elektrische Feld verschwindet (wie im Inneren eines leitenden Objekts). ⓘ

Elektrostatische Energie

Die potenzielle Energie eines Testteilchens, $U_{\mathrm {E} }^{\text{single}}$kann aus einem Linienintegral der Arbeit berechnet werden, $q_{n}{\vec {E}}\cdot \mathrm {d} {\vec {\ell }}$. Wir integrieren von einem Punkt im Unendlichen aus und nehmen an, dass eine Sammlung von $N$ Teilchen der Ladung $Q_{n}$befinden sich bereits in den Punkten ${\vec {r}}_{i}$. Diese potentielle Energie (in Joule) ist:

$U_{\mathrm {E} }^{\text{single}}=q\phi ({\vec {r}})={\frac {q}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{N}{\frac {Q_{i}}{\left\|{\mathcal {{\vec {R}}_{i}}}\right\|}}$ ⓘ

wobei ${\vec {\mathcal {R_{i}}}}={\vec {r}}-{\vec {r}}_{i}$ ist der Abstand der einzelnen Ladungen $Q_{i}$ von der Testladung $q$, die sich im Punkt ${\vec {r}}$und $\phi ({\vec {r}})$ ist das elektrische Potential, das sich bei ${\vec {r}}$ wäre, wenn die Prüfladung nicht vorhanden wäre. Wenn nur zwei Ladungen vorhanden sind, ist die potenzielle Energie $k_{e}Q_{1}Q_{2}/r$. Die gesamte elektrische potentielle Energie, die einer Ansammlung von N Ladungen zuzuschreiben ist, wird berechnet, indem diese Teilchen einzeln zusammengesetzt werden:

$U_{\mathrm {E} }^{\text{total}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{j=1}^{N}Q_{j}\sum _{i=1}^{j-1}{\frac {Q_{i}}{r_{ij}}}={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{N}Q_{i}\phi _{i},$ ⓘ

Dabei schließt die folgende Summe von j = 1 bis N i = j aus:

$\phi _{i}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{\stackrel {j=1}{j\neq i}}^{N}{\frac {Q_{j}}{r_{ij}}}.$ ⓘ

Dieses elektrische Potential, $\phi _{i}$ ist das, was gemessen werden würde bei ${\vec {r}}_{i}$ wenn die Ladung $Q_{i}$ fehlen würde. Diese Formel schließt natürlich die (unendliche) Energie aus, die erforderlich wäre, um jede Punktladung aus einer dispersen Ladungswolke zusammenzusetzen. Die Summe über die Ladungen kann in ein Integral über die Ladungsdichte umgewandelt werden, indem man die Formel ${\textstyle \sum (\cdots )\rightarrow \int (\cdots )\rho \,\mathrm {d} ^{3}r}$:

$U_{\mathrm {E} }^{\text{total}}={\frac {1}{2}}\int \rho ({\vec {r}})\phi ({\vec {r}})\,\mathrm {d} ^{3}r={\frac {\varepsilon _{0}}{2}}\int \left|{\mathbf {E} }\right|^{2}\,\mathrm {d} ^{3}r,$ ⓘ

Dieser zweite Ausdruck für die elektrostatische Energie nutzt die Tatsache, dass das elektrische Feld der negative Gradient des elektrischen Potenzials ist, sowie Identitäten der Vektorrechnung auf eine Weise, die der Integration durch Teile ähnelt. Diese beiden Integrale für die elektrische Feldenergie scheinen zwei sich gegenseitig ausschließende Formeln für die elektrostatische Energiedichte zu ergeben, nämlich ${\textstyle {\frac {1}{2}}\rho \phi }$ und ${\textstyle {\frac {1}{2}}\varepsilon _{0}E^{2}}$Sie ergeben nur dann gleiche Werte für die gesamte elektrostatische Energie, wenn beide über den gesamten Raum integriert werden. ⓘ

Elektrostatischer Druck

Auf einem Leiter erfährt eine Oberflächenladung bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes eine Kraft. Diese Kraft ist der Durchschnitt des diskontinuierlichen elektrischen Feldes an der Oberflächenladung. Dieser Mittelwert beträgt in Bezug auf das Feld direkt außerhalb der Oberfläche:

$P={\frac {\varepsilon _{0}}{2}}E^{2},$ ⓘ

Dieser Druck hat die Tendenz, den Leiter in das Feld zu ziehen, unabhängig vom Vorzeichen der Oberflächenladung. ⓘ

Triboelektrische Reihe

Der triboelektrische Effekt ist eine Form der Kontaktelektrifizierung, bei der bestimmte Materialien elektrisch aufgeladen werden, wenn sie mit einem anderen Material in Kontakt gebracht und dann getrennt werden. Eines der Materialien erhält eine positive Ladung und das andere eine gleich große negative Ladung. Die Polarität und die Stärke der erzeugten Ladungen unterscheiden sich je nach Material, Oberflächenrauhigkeit, Temperatur, Belastung und anderen Eigenschaften. Bernstein zum Beispiel kann sich durch Reibung mit einem Material wie Wolle elektrisch aufladen. Diese Eigenschaft wurde erstmals von Thales von Milet beschrieben und war das erste von Menschen erforschte elektrische Phänomen. Andere Beispiele für Materialien, die durch Reibung eine erhebliche Ladung erhalten können, sind Glas, das mit Seide gerieben wird, und Hartgummi, das mit Fell gerieben wird. ⓘ

Elektrostatische Generatoren

Das Vorhandensein eines Ungleichgewichts der Oberflächenladung bedeutet, dass die Objekte anziehende oder abstoßende Kräfte aufweisen. Dieses Ungleichgewicht der Oberflächenladungen, das zu statischer Elektrizität führt, kann durch Berührung zweier unterschiedlicher Oberflächen und deren anschließende Trennung aufgrund der Phänomene der Kontaktelektrifizierung und des triboelektrischen Effekts erzeugt werden. Das Reiben zweier nichtleitender Gegenstände erzeugt eine große Menge an statischer Elektrizität. Dies ist nicht nur das Ergebnis von Reibung; zwei nichtleitende Oberflächen können sich bereits aufladen, wenn sie übereinander gelegt werden. Da die meisten Oberflächen eine raue Struktur haben, dauert es länger, sich durch Berührung aufzuladen als durch Reiben. Durch das Reiben von Gegenständen aneinander wird die Menge des adhäsiven Kontakts zwischen den beiden Oberflächen erhöht. Normalerweise sind Isolatoren, d. h. Stoffe, die keinen Strom leiten, gut in der Lage, eine Oberflächenladung zu erzeugen und zu halten. Einige Beispiele für solche Stoffe sind Gummi, Kunststoff, Glas und Mark. Leitende Gegenstände erzeugen nur selten ein Ladungsungleichgewicht, es sei denn, eine Metalloberfläche wird von festen oder flüssigen Nichtleitern berührt. Die Ladung, die bei der Kontaktelektrisierung übertragen wird, wird auf der Oberfläche des jeweiligen Objekts gespeichert. Elektrostatische Generatoren, Geräte, die sehr hohe Spannungen bei sehr geringem Strom erzeugen und für Demonstrationen im Physikunterricht verwendet werden, beruhen auf diesem Effekt. ⓘ

Das Vorhandensein von elektrischem Strom beeinträchtigt weder die elektrostatischen Kräfte noch die Funkenbildung, die Koronaentladung oder andere Phänomene. Beide Phänomene können gleichzeitig im selben System auftreten. ⓘ

Siehe auch: Wimshurst-Maschine und Van-de-Graaff-Generator. ⓘ

Neutralisierung von Ladungen

Das bekannteste natürliche elektrostatische Phänomen, das in Jahreszeiten mit niedriger Luftfeuchtigkeit oft als gelegentliches Ärgernis empfunden wird, ist die statische Elektrizität. Statische Elektrizität ist im Allgemeinen harmlos, kann aber in manchen Situationen (z. B. in der Elektronikfertigung) zerstörerisch und schädlich sein. Bei der Arbeit in direktem Kontakt mit integrierten Schaltkreisen (insbesondere empfindlichen MOSFETs). In Gegenwart von entflammbaren Gasen muss darauf geachtet werden, dass sich keine statische Ladung ansammelt und plötzlich entlädt (siehe Elektrostatische Entladung). ⓘ

Elektrostatische Induktion

Bei der elektrostatischen Induktion, die 1753 vom britischen Wissenschaftler John Canton und 1762 vom schwedischen Professor Johan Carl Wilcke entdeckt wurde, handelt es sich um eine Umverteilung von Ladungen in einem Objekt, die durch das elektrische Feld einer nahe gelegenen Ladung verursacht wird. Wird beispielsweise ein positiv geladenes Objekt in die Nähe eines ungeladenen Metallobjekts gebracht, werden die beweglichen negativ geladenen Elektronen des Metalls von der externen Ladung angezogen und bewegen sich zu der ihr zugewandten Seite des Metalls, wodurch eine negative Ladung auf der Oberfläche entsteht. Wenn sich die Elektronen aus einem Bereich herausbewegen, hinterlassen sie aufgrund der Kerne der Metallatome eine positive Ladung, so dass die der Ladung abgewandte Seite des Metallgegenstands eine positive Ladung erhält. Diese induzierten Ladungen verschwinden, wenn die äußere Ladung entfernt wird. Die Induktion ist auch dafür verantwortlich, dass leichte Gegenstände wie Luftballons, Papierschnipsel und Verpackungsschaumstoffe von statischen Ladungen angezogen werden. Die Oberflächenladungen, die in leitenden Objekten induziert werden, heben die externen elektrischen Felder im Inneren des Leiters genau auf, so dass es im Inneren eines Metallobjekts kein elektrisches Feld gibt. Dies ist die Grundlage für die abschirmende Wirkung des elektrischen Feldes eines Faradayschen Käfigs. Da das elektrische Feld der Gradient der Spannung ist, ist die elektrostatische Induktion auch dafür verantwortlich, dass das elektrische Potenzial (die Spannung) in einem leitenden Objekt konstant bleibt. ⓘ

Statische Elektrizität

Blitzschlag über Oradea in Rumänien ⓘ

Vor dem Jahr 1832, als Michael Faraday die Ergebnisse seines Experiments zur Identität der elektrischen Ladungen veröffentlichte, dachten die Physiker, dass sich die statische Elektrizität" irgendwie von anderen elektrischen Ladungen unterscheidet. Michael Faraday bewies, dass die von einem Magneten induzierte Elektrizität, die von einer Batterie erzeugte Voltaik-Elektrizität und die statische Elektrizität ein und dasselbe sind. ⓘ

Statische Elektrizität entsteht in der Regel, wenn bestimmte Materialien aneinander gerieben werden, z. B. Wolle auf Plastik oder Schuhsohlen auf Teppich. Dabei werden Elektronen von der Oberfläche des einen Materials abgezogen und auf die Oberfläche des anderen Materials übertragen. ⓘ

Ein statischer Schlag tritt auf, wenn die Oberfläche des zweiten Materials, das negativ mit Elektronen geladen ist, einen positiv geladenen Leiter berührt oder umgekehrt. ⓘ

Statische Elektrizität wird häufig in der Xerographie, bei Luftfiltern und bei einigen Beschichtungsverfahren in der Fertigung eingesetzt. Statische Elektrizität ist eine Ansammlung elektrischer Ladungen auf zwei Objekten, die sich voneinander entfernt haben. Kleine elektrische Bauteile können durch statische Elektrizität beschädigt werden, und die Hersteller von Bauteilen verwenden eine Reihe von Antistatikvorrichtungen, um dies zu vermeiden. ⓘ

Statische Elektrizität und chemische Industrie

Wenn verschiedene Materialien zusammengebracht und dann getrennt werden, kann es zu einer Ansammlung elektrischer Ladung kommen, die ein Material positiv und das andere negativ auflädt. Der leichte Schock, den Sie bekommen, wenn Sie einen geerdeten Gegenstand berühren, nachdem Sie auf einem Teppich gelaufen sind, ist ein Beispiel für die überschüssige elektrische Ladung, die sich in Ihrem Körper durch die Reibungsaufladung zwischen Ihren Schuhen und dem Teppich ansammelt. Die daraus resultierende Aufladung Ihres Körpers kann eine starke elektrische Entladung erzeugen. Das Experimentieren mit statischer Elektrizität mag zwar Spaß machen, aber in Branchen, die mit brennbaren Stoffen zu tun haben, kann ein kleiner elektrischer Funke ein explosives Gemisch mit verheerenden Folgen entzünden. ⓘ

Ein ähnlicher Aufladungsmechanismus kann in Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit auftreten, die durch Rohrleitungen fließen - ein Prozess, der als Strömungselektrifizierung bezeichnet wird. Flüssigkeiten mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (unter 50 Picosiemens pro Meter) werden als Akkumulatoren bezeichnet. Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit über 50 pS/m werden als Nicht-Akkumulatoren bezeichnet. In Nicht-Akkumulatoren rekombinieren die Ladungen so schnell, wie sie getrennt werden, so dass die elektrostatische Aufladung nicht signifikant ist. In der petrochemischen Industrie ist 50 pS/m der empfohlene Mindestwert für die elektrische Leitfähigkeit, um Ladungen angemessen aus einer Flüssigkeit zu entfernen. ⓘ

Ein wichtiges Konzept für Isolierflüssigkeiten ist die statische Relaxationszeit. Sie ist vergleichbar mit der Zeitkonstante (tau) in einem RC-Kreis. Bei isolierenden Materialien ist sie das Verhältnis der statischen Dielektrizitätskonstante geteilt durch die elektrische Leitfähigkeit des Materials. Bei Kohlenwasserstoffflüssigkeiten wird dies manchmal durch Division der Zahl 18 durch die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit angenähert. So hat eine Flüssigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 pS/cm (100 pS/m) eine geschätzte Relaxationszeit von etwa 18 Sekunden. Die überschüssige Ladung in einer Flüssigkeit ist nach dem 4- bis 5-fachen der Relaxationszeit, d. h. 90 Sekunden für die Flüssigkeit im obigen Beispiel, fast vollständig abgebaut. ⓘ

Die Ladungsbildung nimmt bei höheren Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und größeren Rohrdurchmessern zu und wird bei Rohren ab 200 mm (8 Zoll) ganz erheblich. Die Bildung statischer Ladungen in diesen Systemen lässt sich am besten durch eine Begrenzung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit kontrollieren. Die britische Norm BS PD CLC/TR 50404:2003 (ehemals BS-5958-Teil 2) Code of Practice for Control of undesirable Static Electricity schreibt Geschwindigkeitsgrenzen vor. Wegen des großen Einflusses auf die Dielektrizitätskonstante sollte die empfohlene Geschwindigkeit für wasserhaltige Kohlenwasserstoffflüssigkeiten auf 1 m/s begrenzt werden. ⓘ

Verklebung und Erdung sind die üblichen Methoden zur Verhinderung von Ladungsaufbau. Bei Flüssigkeiten mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 10 pS/m sind Verklebung und Erdung zur Ableitung von Ladungen nicht ausreichend, und es können antistatische Zusatzstoffe erforderlich sein. ⓘ

Anwendbare Normen

• BS PD CLC/TR 50404:2003 Leitfaden für die Kontrolle unerwünschter statischer Elektrizität
• NFPA 77 (2007) Empfohlene Praxis zur statischen Elektrizität
• API RP 2003 (1998) Schutz gegen Zündungen, die durch Statik, Blitzschlag und Streuströme entstehen ⓘ

Elektrostatische Induktion in kommerziellen Anwendungen

Elektrostatische Induktion wurde in der Vergangenheit zum Bau von Hochspannungsgeneratoren, den so genannten Influenzmaschinen, verwendet. Das wichtigste Bauteil, das in dieser Zeit entstanden ist, ist der Kondensator. Die elektrostatische Induktion wird auch für die elektromechanische Abscheidung oder Projektion verwendet. Bei diesen Technologien werden geladene Teilchen kleiner Größe gesammelt oder absichtlich auf Oberflächen abgeschieden. Die Anwendungen reichen vom elektrostatischen Abscheider über die elektrostatische Beschichtung bis zum Tintenstrahldruck. ⓘ

Elektrostatische Aktoren haben in letzter Zeit das Interesse der Soft-Robotik-Forschung geweckt. Elektrostatische Aktuatoren können als Kupplungen für tragbare Geräte eingesetzt werden, die eine mechanische Impedanzabstimmung und eine verbesserte Energieeffizienz aufweisen können. Weitere relevante Anwendungen sind unter anderem hydraulisch verstärkte elektrostatische Multimode-Aktoren für tragbare haptische Geräte und elektrostatisch angetriebene Roboter. ⓘ

Geschichte

Schon im Altertum war bekannt, dass bestimmte Materialien wie beispielsweise Bernstein nach dem Reiben an einem Tuch oder Fell kleine leichte Teilchen anziehen (siehe Reibungselektrizität). William Gilbert setzte die Arbeiten von Petrus Peregrinus aus dem 13. Jahrhundert fort und fand heraus, dass auch andere Stoffe durch Reibung elektrisiert werden können und entwickelte das Versorium, eine frühe Bauform eines Elektroskops. Er führte in seinem 1600 erschienenen Buch De Magnete, Magnetisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (deutsch etwa: Über den Magneten, Magnetische Körper und den großen Magneten Erde) den dem Neulateinischen entlehnten Begriff „electrica“ für die Erscheinungen ein, die er im Zusammenhang mit dem Bernstein entdeckte, „elektron“ stammt vom griechischen Wort für Bernstein. ⓘ

Vorkommen, Erzeugung, Anwendungen statischer Ladungen

Vorkommen in der Natur und im Alltag:

• Gewitterwolken
• Elektrostatisches Feld der Erde
• Elektrostatische Entladung, z. B. nach dem Aufladen durch Laufen über Teppichböden, Benutzen von Kunststoff-Geländern, Sitzen auf Sesseln mit Kunstfaser-Bezug, Kämmen mit Plastik-Kamm, Ausziehen eines Kunstfaser-Pullovers ⓘ

Erzeugung hoher Spannungen durch Transport statischer Ladungen (in Forschung, Lehre, Industrie):

• Elektrisiermaschine
• Bandgenerator
• Influenzmaschine ⓘ

Anwendungen:

• Elektrofilter
• elektrostatisch unterstütztes Spritzlackieren
• Fixierung von Papierblättern auf Flachbettplottern und X-Y-Schreibern
• Pulverbeschichten
• Xerographie ⓘ