So nervig! Im Winter tritt statische Elektrizität auf. Gibt es jemanden, der etwas dagegen tun kann?

Ich war schockiert, als ich die Tür öffnete und der Metallgriff mich erschreckte ...

Ziehen Sie nachts einen Pullover aus, und es fliegen überall Funken und Blitze …

Sogar das Streicheln einer Katze verursacht knisternde Geräusche …

Es ist wieder soweit: Unser alter Freund, die statische Elektrizität, kommt zu Besuch. Wenn wir von statischer Elektrizität sprechen, denken wir normalerweise zuerst an zwei Dinge: zum einen an die Elektrifizierung durch Reibung und zum anderen daran, dass statische Elektrizität wirklich lästig ist.

Tatsächlich ist statische Elektrizität jedoch mehr als nur Reibungsaufladung. In manchen Situationen sind die Schäden, die durch statische Elektrizität verursacht werden, weit mehr als nur ärgerlich. Doch bei richtiger Verwendung kann statische Elektrizität der Menschheit von Nutzen sein. Lassen Sie uns unten ausführlich darüber sprechen.

Reibungselektrifizierung ist nicht einfach

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Die häufigste statische Elektrizität in unserem täglichen Leben ist Reibungsaufladung, die uns auch am meisten quält. Vom knackenden Geräusch eines Händedrucks bis zum Grollen eines Blitzes ist alles ihm zu verdanken.

Historisch gesehen war dies eines der ersten elektrischen Phänomene, das von Menschen bemerkt und aufgezeichnet wurde: Im Griechischen ist ἤλεκτρον (ausgesprochen „Elektron“) ein Synonym für Bernstein, und Bernstein lässt sich leicht aufladen und staubt, was bereits im 6. Jahrhundert v. Chr. vom antiken griechischen Philosophen Thales aufgezeichnet wurde.

Obwohl die Reibungselektrifizierung wohlbekannt ist, verstehen Wissenschaftler dieses Phänomen noch nicht vollständig, da sein Verhalten recht instabil und seine Ursachen komplex und vielfältig sind. Beispielsweise hatten wir in der Schule den allgemeinen Eindruck, dass derjenige negativ geladen ist, der mehr Elektronen aufnehmen kann. Wenn wir nur die Materialien berücksichtigen, sollte es einen ultimativen Boss geben, der beim Erobern von Elektronik als Sieger hervorgeht.

Doch in Wirklichkeit ist der Wettbewerb um Elektronen durch Reibungselektrifizierung bei manchen Materialien kein Spiel, bei dem der Stärkere alles bekommt. Es ist eher wie Schere-Stein-Papier: Seide verliert gegen Papier, Papier verliert gegen Baumwolle, Baumwolle verliert gegen Glas, Glas verliert gegen Zink und Zink verliert gleich zu Beginn gegen Seide!

Es zeigt sich, dass die Materialeigenschaften nicht unbedingt der einzige Faktor sind. Zu den derzeit bekannten Einflussfaktoren zählen nach Untersuchungen unter anderem: die Eigenschaften des Materials selbst, die Oberflächenstruktur und -richtung, die lokale Rauheit, die Reibungsintensität, die Umgebungsfeuchtigkeit usw.

Statische Elektrizität entsteht nicht nur durch Reibung

Durch Reibung kann statische Elektrizität entstehen, aber statische Elektrizität entsteht nicht nur durch Reibung. Eine andere Art statischer Elektrizität ist die Piezoelektrizität, die durch Quarz und Turmalin (auch Turmalin genannt) repräsentiert wird.

Was ist das Prinzip der Piezoelektrizität? Um einen ungenauen Vergleich zu ziehen: Es ist wie ein Bus. Wenn nicht viele Passagiere da sind, stehen die Leute in alle Richtungen. Wenn der Bus immer voller wird, stehen alle unwillkürlich in einer Richtung. Von der einen Seite aus betrachtet ist die gesamte Vorderansicht zu sehen, von der anderen Seite aus betrachtet ist die gesamte Rückansicht zu sehen. Dieses Phänomen wird als Polarisation bezeichnet und führt dazu, dass an einem Ende des piezoelektrischen Materials eine positive Ladung und am anderen Ende eine negative Ladung auftritt. Da Wärme auch Spannungen im Kristallgitter verursachen kann, verfügen einige piezoelektrische Materialien auch über einen pyroelektrischen Effekt.

Es gibt eine andere Art statischer Elektrizität, die eher im Weltraum auftritt. Wenn das energiereiche ultraviolette Licht und die Röntgenstrahlen des Sonnenlichts auf ein Objekt treffen, verdrängen sie Elektronen und hinterlassen an ihrer Stelle eine Schicht positiver Ladung. Auf der Mondoberfläche beispielsweise sind die trockenen und feinen Mondbodenpartikel alle positiv geladen und stoßen sich gegenseitig ab. Sie werden vom Boden aufsteigen und mehrere Meter hoch schweben und dabei eine Schicht aus Mondstaub „Atmosphäre“ (kein Gas) bilden. Sobald der Mondstaub auf Fremdkörper trifft, wird er leicht adsorbiert.

Leser, die schon einmal eine Schaumstoffverpackung geöffnet haben, werden dies sicherlich gut verstehen. Elektrostatisch aufgewirbelter Mondstaub stellt eine große Gefahr für die Ausrüstung zur Monderkundung dar. Unser erster Yutu-Rover war gerade über einen Monat dort oben (der zweite Tag auf dem Mond), als es zu einem Stromproblem kam, höchstwahrscheinlich aufgrund von Mondstaub, der in sein Inneres eingedrungen war. Dasselbe Prinzip gilt auch für die Tatsache, dass der vom Apollo-Mondrover aufgewirbelte Staub lange Zeit bestehen bleibt und kein Effekt eines Bodenstudios ist.

Yutu-Mondrover aus Wikipedia

Wie schädlich ist statische Elektrizität?

Statische Elektrizität ist in den meisten Fällen schädlich und lästig. Obwohl es viele Ursachen für statische Elektrizität gibt, bleibt das Hauptthema das Wort „statisch“. Wenn elektrische Ladungen erzeugt werden, aber nicht fließen, können sie sich ansammeln und Katastrophen verursachen.

Im Winter ist das Haus im Norden beheizt und die Umgebung trocken. Wenn Sie keinen Luftbefeuchter verwenden (obwohl dieser möglicherweise nicht sehr effektiv ist), kann die beim Gehen oder Umziehen erzeugte statische Elektrizität nur schwer abgeleitet werden und sammelt sich auf der Körperoberfläche, wo sie auf eine Gelegenheit zum Entweichen wartet. Wie die kleinen Funken, die unsere Finger normalerweise taub machen, kann die Spannung Zehntausende Volt erreichen. Diese Zahl klingt beängstigend, aber die Physik dahinter ist wie folgt:

Ladung = Kapazität × Spannung

Man erkennt, dass Kapazität und Spannung umgekehrt proportional sind, je kleiner die eine ist, desto größer ist die andere. Wenn wir uns die Hand geben, besteht zwischen unseren Händen eine sehr geringe Kapazität. Daher ist nur eine kleine Ladung erforderlich, um eine hohe Spannung zu erzeugen, die durch die Luft bricht und den kleinen Lichtbogen bildet, der uns erzittern lässt. Aber es besteht kein Grund zur Angst. Wirklich tödlich ist der Strom und nicht die Spannung. Die Ladung statischer Elektrizität ist im Alltag äußerst gering, daher ist auch der Strom sehr schwach und führt nicht zum Tod oder zu Behinderungen.

Aber jeder sollte vorsichtig sein, denn wenn dieser kleine elektrische Lichtbogen, der die Luft durchdringen kann, in eine gefährliche Situation gerät, kann er eine Katastrophe verursachen. Wenn beispielsweise ein Tanklastwagen nicht vollständig gefüllt ist, kann das im Tank herumschwappende Öl eine Reibungselektrizität verursachen und eine Explosion auslösen. Um statische Elektrizität rechtzeitig auf die Erde abzuleiten, waren die ersten Tanklastwagen mit einer Eisenkette am Heck des Fahrzeugs ausgestattet, die bis zum Boden reichte.

Die heutigen Antistatikmaßnahmen sind zahlreicher und zuverlässiger: Die Eisenkette wird durch leitfähigen Gummi ersetzt, um sicherzustellen, dass sie immer gegen den Boden gedrückt wird, ohne dass es zu intermittierendem Kontakt oder Funken kommt. Auch beim Reifenmaterial kommt leitfähiger Gummi zum Einsatz. Um die Stöße und Vibrationen des Öls zu reduzieren, ist im Öltank ein Ölabscheider angebracht.

An Tankstellen gibt es viele Maßnahmen zur Vermeidung statischer Elektrizität, vom Be- und Entladen von Öl bis zum Tanken von Autobesitzern, wie z. B. das Entladen von Elektrizität vor dem Tanken usw. Es gibt auch Industrien mit starker Staubentwicklung, wie z. B. Getreidemühlen. Neben offenem Feuer muss auch statische Elektrizität strikt vermieden werden, da diese zu verheerenden Staubexplosionen führen und die normale Mehlproduktion beeinträchtigen kann.

Wer seinen Computer gerne selbst zusammenbaut, weiß das nur zu gut: Berührt man die Hauptplatine oder die Speicherchips des Computers mit bloßen Händen, kann die Maschine zu einem „Klotz“ werden. Der Grund ist derselbe wie bei der obigen Formel. Die durch statische Elektrizität erzeugte Hochspannung zerstört den Chip. Daher werden elektronische Geräte, die von Herstellern verschickt werden, üblicherweise in Beutel verpackt, die statische Elektrizität langsam abgeben oder ableiten können.

Auch beim Auseinander- und Zusammenbauen dieser Geräte müssen wir zunächst die Wand berühren oder mit der anderen Hand das Metallgehäuse der großen Maschine festhalten. Meister, die auf die Reparatur von Schaltkreisen spezialisiert sind, haben immer ein Stück geerdetes leitfähiges Gummi auf ihren Tischen und tragen leitfähige „Handschellen“ an ihren Handgelenken.

Antistatische Verpackung elektronischer Geräte, aufgenommen vom Autor

In der Halbleiterindustrie, einer vorgelagerten Produktionsstufe der elektronischen Geräte, stellt statische Elektrizität eine große Gefahr dar. Das Tragen sauberer Kleidung in der Fabrik bedeckt nicht nur den ganzen Körper, um das Abfallen von Schuppen zu verhindern, sondern besteht auch aus in die Kleidung eingewebten leitfähigen Filamenten und in die Sohlen eingemischtem leitfähigem Kohlenstoffgummi. Auch beim Betreten der „Grauzone“ außerhalb der Werkstatt ist das Tragen antistatischer Hausschuhe Pflicht.

Ich trage diese Art von Hausschuhen seit mehreren Jahren. Sie sind weich und hart genug und langlebig. Theoretisch können Sie Ihre Katze streicheln, wenn Sie ein Set zu Hause haben. Aber! Das Tragen dieser Hausschuhe erhöht das Risiko eines Stromschlags erheblich! (Überlassen Sie es den Lesern, darüber nachzudenken: Warum?) Lassen Sie uns die Vor- und Nachteile abwägen und uns entscheiden, das Knistern einfach hinzunehmen.

Freunden, die oft fliegen, fällt vielleicht auf, dass sich an den Flügeln viele scharfe Dornen befinden. Es handelt sich dabei nicht um Kommunikationsantennen und sie können auch keine Leistung erhöhen, aber sie dienen der Freisetzung statischer Elektrizität und werden als Antistatikbürsten bezeichnet. Durch die Reibung zwischen dem Flugzeug und der Luft bei hoher Geschwindigkeit entsteht zwangsläufig statische Elektrizität. Allerdings ist es nicht möglich, Reinigungsgeräte wie Tanklastwagen zu verwenden. Die Installation dieser kleinen Spikes basiert auf dem Prinzip, dass an scharfen Teilen statische Elektrizität in die Luft abgegeben wird.

Das größte Phänomen elektrostatischer Entladung, das wir im Alltag erleben können, ist wahrscheinlich ein Blitzschlag, aber dieses Thema ist zu umfassend, um näher darauf einzugehen.

Statische Elektrizität sinnvoll nutzen

Obwohl statische Elektrizität in den meisten Fällen schädlich und nutzlos ist, kann sie dennoch wertvolle Dienste leisten, wenn sie richtig gelenkt und nach unserem Willen eingesetzt wird.

Der erfolgreichste Anwendungsfall statischer Elektrizität ist wahrscheinlich der Kopierer. Dabei wird der Halbleiter zunächst mit statischer Elektrizität gefüllt, dann werden die Stellen, an denen keine Wörter sein sollten, mit Licht beleuchtet, wodurch der Halbleiter an dieser Stelle zu einem Leiter wird, die statische Elektrizität hier eliminiert wird und der unbeleuchtete Bereich mit statischer Elektrizität das Kohlenstoffpulver absorbieren kann.

Indem wir eine große Menge elektrischer Ladungen an einer von uns entworfenen Stelle einführen und einschließen, um ein starkes elektrisches Feld zu bilden, können wir geladene Teilchen beschleunigen und Grundlagen der Physik und viele verwandte Disziplinen studieren. Im Vergleich zum Zyklotron ist dieser elektrostatische Beschleuniger kostengünstig, benötigt wenig Platz und wird weltweit häufig eingesetzt.

Elektrostatischer Beschleuniger aus Wikipedia

Indem man die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte statische Elektrizität fließen lässt, kann man einen Quarzresonator herstellen. Dies ist die Kernkomponente einer Quarzuhr, die das Leben der Menschen erheblich angenehmer macht (aber mit der Popularität von Mobiltelefonen scheinen Uhren nur noch Kleidung zu sein).

In der Sprühindustrie kann das Prinzip der elektrostatischen Abstoßung genutzt werden, um die Tröpfchen gleichmäßig zu verteilen. Wenn sie sich dem Sprühziel nähern, können sie durch statische Elektrizität adsorbiert werden. Diese Szene kommt mir tatsächlich sehr bekannt vor. Im Grunde ist es dasselbe Prinzip, nach dem Mondstaub den Mondrover zerstört hat, aber wenn es an der richtigen Stelle eingesetzt wird, hat es eine andere Wirkung.

Daher scheint es eine unumstößliche Wahrheit zu sein, dass mehr Verständnis Feinde in Freunde verwandeln kann!

Dieser Artikel ist ein Werk des Science Popularization China-Starry Sky Project

Produziert von: Abteilung für Wissenschaftspopularisierung der Chinesischen Vereinigung für Wissenschaft und Technologie

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

Autor: Qu Jiong, populärwissenschaftlicher Autor

Rezension von Liu Xi, Forscher am Beijing Planetarium