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.
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
