Wenn du mit Wollsocken über einen Teppich läufst, ist die Wahrscheinlichkeit ziemlich groß, dass dich der nächste Türknauf, den du berührst, mit einem Funken überrascht. Statische Elektrizität ist so alltäglich, dass man leicht vergisst, wie seltsam sie ist.
Aber was passiert eigentlich, wenn man diesen Funken begegnet?
Der antike griechische Philosoph und Mathematiker Thales von Milet beschrieb im sechsten Jahrhundert v. Chr. als Erster die statische Elektrizität, aber Wissenschaftler haben jahrzehntelang um eine Antwort auf diese grundlegende Frage gerungen. Forscher, die auf der Nanoebene arbeiten, haben jedoch gerade einen großen Schritt nach vorn gemacht, um zu verstehen, warum das Reiben zweier Oberflächen zu einem Schock führen kann.
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So glatt eine Oberfläche auch aussehen mag, wenn man nah genug heranzoomt, kann man Unebenheiten und Vertiefungen erkennen. Wissenschaftler nennen diese Unvollkommenheiten „Unebenheiten“. Jede Oberfläche, von Luftballons bis hin zu Fasern wie Wolle oder Haaren, ist mit mikroskopisch kleinen Unebenheiten versehen. Und diese Unebenheiten sind für die Erzeugung statischer Elektrizität verantwortlich, so Christopher Mizzi, Doktorand in Materialwissenschaft und Technik an der Northwestern University in Evanston, Illinois.
In einer Studie, die im September in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, verglichen Mizzi und seine Mitautoren die unsichtbaren Unebenheiten auf Alltagsgegenständen mit der Oberfläche der Erde. Wenn man die Erde aus der Ferne betrachtet, sieht der Planet „sehr glatt aus, wie eine perfekte Kugel“, so Mizzi. Wir wissen jedoch, dass die Erde in Wirklichkeit alles andere als glatt ist, aber man muss schon genau hinsehen, um das zu erkennen. Erst wenn man weit genug heranzoomt, bemerkt man, dass es Berge und Hügel gibt“, sagte er. In ähnlicher Weise sehen vertraute Objekte glatt aus, bis man sie aus der Nähe betrachtet.
Wenn die Oberflächen zweier Objekte aneinander reiben, kratzen ihre Unebenheiten aneinander und erzeugen Reibung. Wissenschaftler wissen seit langem, dass Reibung eine Rolle bei der statischen Elektrizität spielt. (Tatsächlich hat der wissenschaftliche Begriff für statische Elektrizität, Triboelektrizität, eine gemeinsame Wurzel mit der Tribologie, der Lehre von der Reibung.)
In der neuen Studie zeigten Mizzi und seine Co-Autoren, wie die Unebenheiten, die Reibung verursachen, auch einen schockierenden Unterschied in der elektrischen Ladung hervorrufen.
Etwas Ungewöhnliches an statischer Elektrizität ist, dass sie am einfachsten mit Materialien erzeugt werden kann, die die Elektrizität einschränken und als Isolatoren bekannt sind; dazu gehören Gummi, Wolle und Haare. Bei der aktuellen Elektrizität – der alltäglichen Form der Elektrizität, die Telefone, Lampen und fast alle anderen elektronischen Geräte mit Strom versorgt – erzeugen Elektronen Ströme, indem sie durch Atome in leitenden Materialien wie Kupferdraht fließen. Aber die Atome von Isolatoren lassen die Elektronen nicht so leicht kommen und gehen; sie verdienen ihren Namen, indem sie den Elektronenfluss hemmen.
Mizzi und seine Kollegen entdeckten, dass statische Elektrizität erzeugt wird, wenn die Unebenheiten in Isolatoren aneinander reiben und die Elektronenwolken stören. Da sich die Elektronen in Isolatoren nicht so leicht bewegen können, kann diese Reibung die Elektronenwolken aus der Form biegen.
In diesen Materialien ist die Elektronenwolke um die Atome normalerweise symmetrisch. Wenn man diese Wolken betrachtet, „kann man nicht zwischen oben und unten, links und rechts unterscheiden“, so Mizzi.
Wenn man diese Elektronenwolke jedoch zusammendrückt, verformt sie sich und wird asymmetrisch. Unter den richtigen Umständen kann diese neue Form die Spannung ungleichmäßig über das Material verteilen, erklärte Mizzi.
Was hat das mit Wollsocken auf dem Teppich zu tun? Wenn Sie in solchen Schuhen laufen, führt die Kombination aus Ihrem Körpergewicht und Ihrer Schrittbewegung dazu, dass die Fasern Ihrer Socken gegen die Fasern des Teppichs gleiten. Wenn die beiden Materialien auf diese Weise aneinander reiben, schleifen die Unebenheiten auf der einen Oberfläche an den Unebenheiten auf der gegenüberliegenden Oberfläche entlang, so dass diese sich verbiegen. Bei dieser Biegung werden die Elektronenwolken in den Atomen, aus denen die Unebenheiten bestehen, in asymmetrische Formen gequetscht, was einen sehr, sehr kleinen Spannungsunterschied verursacht.
Auch wenn diese Spannungsunterschiede klein sind, summieren sie sich. Die Unebenheiten sind so zahlreich, dass das Zusammendrücken der Elektronenwolken einen erheblichen Aufbau statischer Elektrizität verursacht – so stark, dass man sie spürt, wenn man eine Türklinke berührt oder jemandem die Hand schüttelt.
Dieses neu gewonnene Verständnis der statischen Elektrizität könnte Wissenschaftler bei der Entwicklung von Stoffen beeinflussen, die durch Reibung erzeugte Energie zum Aufladen von tragbaren Geräten erzeugen, wodurch Produkte effizienter werden könnten. Und mit einem besseren Verständnis dafür, welche Materialien nicht so leicht statische Elektrizität erzeugen, können Ingenieure daran arbeiten, sicherere Produktionsumgebungen zu schaffen, zum Beispiel durch die Beseitigung von Staubpartikeln, die durch Reibung aneinander Brände auslösen können.
„Wenn man ein Modell hat, kann man anfangen, Vorhersagen zu machen“, sagte Mizzi.
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Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
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