12.06.2023

Kontaktelektrifizierung unter der Lupe

Neues Projekt untersucht die Mechanismen der elektrostatischen Aufladung.

Kommen zwei Materialien kurz in Kontakt, kann es zu einer elektro­statischen Aufladung kommen. Ein kleiner Blitz baut die Ladung ab, beispielsweise beim Griff an die Türklinke. Diese Reibungs­elektrizität löst ungewollt Funken und Explosionen in Stäuben und Granulaten aus, sie bietet aber auch das Potenzial, um mit Sport­textilien Strom zu gewinnen. Die Experimental­physik der Universität Duisburg-Essen (UDE) erforscht die Ladungsprozesse. Ein Projekt zum Ladungs­übertrag wird aktuell von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft für drei Jahre mit über 250.000 Euro gefördert.

 

Abb.: Rolf Möller vor der Versuchsapparatur mit einem elektronischen...
Abb.: Rolf Möller vor der Versuchsapparatur mit einem elektronischen Ladungs­verstärker (Bild: UDE / A. Reichert)

Mikroskopische Berührungen zwischen Materialien führen zu einer Aufladung. Eine hohe Anzahl von Kontakten macht sehr hohe elektrische Spannungen von etlichen Kilovolt möglich. „Obwohl das schon lange bekannt ist, ist es immer noch unklar, welche geladenen Teilchen bei der Berührung übertragen werden. Das könnten einzelne Elektronen, Ionen oder ganze Moleküle aus mehreren Atomen sein“, erklärt Rolf Möller, der mit seinem Kollegen Hermann Nienhaus das Projekt leitet.

Um der Lösung näher zu kommen, ist es erforderlich, exakt den Moment zu analysieren, in dem sich die Ladung von einem auf das andere Material überträgt. „Das geschieht während der Berührung atemberaubend schnell, in ein paar Millionstel Sekunden oder sogar noch schneller“, so Nienhaus. Zur Analyse dieses Vorgangs hat die Arbeitsgruppe neue elektronische Verstärker entwickelt, die sehr kleine Ladungen in Mikro­sekunden messen und die Kontakt­elektrifizierung einer Kugel beobachten.

Das Team um Möller und Nienhaus lässt dazu eine Kugel mit dem Durchmesser von einem Millimeter frei auf eine Platte fallen, so dass sie mehrfach aufspringt. Die Arbeitsgruppe experimentiert dabei mit verschiedenen Kugel- und Platten­materialen – darunter Metalle und Isolatoren – und ändert die umgebende Atmosphäre. „Unser Versuch wird mit sehr hoher Präzision und einer Ladungs- und Zeitauflösung durchgeführt, wie es sie bisher noch nicht gab“, betont Möller. „Unser Ziel ist es, die physikalischen Mechanismen des Ladungs­transfers grundlegend zu verstehen. Damit ließen sich Kontakt­aufladungen künftig je nach Bedarf vermeiden, kontrollieren oder sogar von außen steuern.“

UDE / DE

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