Statische Elektrizität: Definition, Funktionsweise, Fakten (mit Beispielen)

Elektrische Ladung ist überall um dich herum, aber du merkst es nur in seltenen Fällen wirklich, wie wenn dir danach die Haare zu Berge stehen Sie nehmen einen Hut ab oder Sie bekommen einen scharfen Schlag, wenn Sie etwas berühren, nachdem Sie Ihre Füße entlang der Oberfläche gerieben haben Teppich.

Diese beiden Phänomene sind Beispiele fürstatische Elektrizität, etwas, das Sie wahrscheinlich als Kind kennengelernt haben. Aber wie wird Ihr Haar durch statische Aufladung zu Berge stehen und warum kann es Ihnen einen statischen Schock geben?

Was passiert eigentlich auf atomarer Ebene, das diese universellen Erfahrungen hervorbringt? Das Erlernen der Details über statische Elektrizität gibt Ihnen einen viel detaillierteren Einblick in diese faszinierende Eigenschaft der Materie.

Elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft der Materie. Es wird in positive Ladungen und negative Ladungen getrennt, und obwohl einige Teilchen elektrisch neutral – wie das Neutron – diese bestehen eigentlich aus noch mehr fundamentalen Partikel, die

Die zwei wichtigsten geladenen Teilchen, die Sie kennen sollten, wenn Sie mehr über statische Elektrizität erfahren, sind zwei der Hauptkomponenten eines Atoms: Protonen und Elektronen.

Protonen sind positiv geladen, mit einer Ladung von +e, während Elektronen negativ geladen sind bei –e, woe​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Das C steht hier fürCoulomb, die SI-Einheit für elektrische Ladung. Die 10⁻¹⁹ sagt dir, dass geladene Teilchensehr kleinLadungswerte im Vergleich zu einem Coulomb – zwei Ladungen von nur 1 C getrennt durch einen Meter würden eine Kraft erzeugen, die größer ist als der Schub des Startschubs der Saturn-V-Rakete!

Die Grundregel für die Funktionsweise elektrischer Ladung ist, dass sich entgegengesetzte Ladungen anziehen und ähnliche Ladungen abstoßen. Wenn Sie also ein Elektron in die Nähe eines anderen Elektrons bringen, würden sie sich selbst auseinanderdrücken, während Sie ein Elektron in die Nähe eines Protons bringen, wird es von diesem angezogen.

Auf der einfachsten Ebene bezieht sich statische Elektrizität einfach auf Ladungen, die sich nicht bewegen. Es steckt jedoch noch viel mehr dahinter! Das Wichtigste an statischer Elektrizität ist, dass sie auftritt, wenn ein Ladungsungleichgewicht besteht, und dieses Ungleichgewicht erzeugt im Wesentlichenelektrisches Potenzial, was bedeutet, dass aufgrund der Positionen der ladungstragenden Teilchen die Möglichkeit besteht, dass elektrischer Strom fließen kann (um die Ladung auszugleichen).

In Atomen und damit auch in den meisten Alltagsgegenständen gibt es ein Gleichgewicht zwischen dem Positiven und dem Negativen Ladungen (d. h. zwischen den Protonen und Elektronen), so dass sie alle elektrisch neutral sind zusammen.

Wenn Sie also ein Atom nahe an ein anderes bringen, gibt es keine elektrische Kraft zwischen ihnen, weil alle der positiven Ladungen werden durch negative Ladungen ausgeglichen, so dass keine Nettoladung zur Generierung von a. entsteht Macht.

Obwohl es wirklich ein bisschen komplizierter ist (weil sich Elektronen immer bewegen, also nichtimmerdie positive Ladung der Protonen blockieren), bildet diese neutrale Situation einen klaren Kontrast zu dem, was passiert, wenn sich statische Aufladung aufbaut.

Im Wesentlichen, wenn ein Objekt (wie Ihr Haar nach dem Reiben eines Ballons) einen Überschuss oder ein Defizit an Ladung erhält (also mehr oder weniger Elektronen als im Normalzustand), dann ist es nicht mehr neutral und kann das erzeugen, was man statisch nennt Elektrizität. Im Gegensatz dazu ist gewöhnlicher Strom akontinuierliche BewegungLadung (in Form von Elektronen in einem elektrischen Strom), während statische Elektrizität keine Bewegung beinhaltetbis umdie Ladungen gleichen sich wieder aus – und geben Ihnen möglicherweise einen scharfen Zack!

Statische Elektrizität hängt grundsätzlich von einem Ungleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen ab, aber eigentlich sind es nur die Elektronen, die sich tatsächlich bewegen, um dieses Ungleichgewicht zu erzeugen.

In einem Atom sind die Protonen (zusammen mit den Neutronen) im Kern fest gebunden, und beide sind erheblich schwerer als die negativ geladenen Elektronen, die in einer „Wolke“ um die Außenseite des Kern.

Da sich diese leichteren Partikel außen befinden, ist es das, wenn ein Objekt mit einem anderen in Kontakt kommt Elektronen, die zwischen ihnen übertragen werden können, und das Aneinanderreiben erhöht die Ladungsrate aufbauen. Wenn ein Objekt also zusätzliche Elektronen aufnimmt, wird es negativ geladen, während es positiv geladen wird, wenn es Elektronen verliert.

Isoliermaterialien halten eine statische Aufladung gut, während ein guter Leiter nur in bestimmten Situationen eine statische Aufladung aufrechterhalten kann. Ein Leiter mit zusätzlichen Elektronen hält keine statische Ladung, da die Elektronen frei durch das Material fließen können (was die Definition eines guten Leiters ist).

Jeder Ladungsaufbau wird also zu schnell abgebaut, um eine spürbare statische Elektrizität zu erzeugen, und kann auf andere Objekte übertragen werden, es sei denn, er ist vollständig vom Rest der Umgebung isoliert. Da in einem Isolator kein Strom fließen kann, erzeugt die statische Aufladung schnell ein bemerkenswertes Ladungsungleichgewicht und erzeugt dadurch statische Elektrizität.

Weil sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen, wenn etwas eine statische Ladung hat, wird es an entgegengesetzt geladenen Gegenständen haften, und das kann es manchmal auchpolarisierenAtome in einem ansonsten neutralen Objekt und kleben auch daran – so wie ein Ballon an einer Wand klebt, nachdem man ihn auf den Kopf gerieben hat.

Wenn der Ladungsaufbau groß genug ist und eine relativ hohe Spannung zwischen den beiden Oberflächen oder Objekten erreicht wird, kann die Ladung von einem Objekt zum anderen springen. Aus diesem Grund können Sie durch den statischen Schock einen Schlag bekommen, wenn Sie mit den Füßen über den Boden reiben und dann einen Türknauf berühren.

Es gibt viele Beispiele für statische Elektrizität, die Ihnen im Alltag begegnen werden, auch wenn Sie nicht unbedingt darüber nachdenken, welche Rolle statische Aufladung bei ihrem Betrieb spielt.

Ein besonders häufiges Beispiel ist die statische Anhaftung in der Kleidung, insbesondere nach der Benutzung des Trockners, die die idealen Bedingungen für statische Elektrizität zu entwickeln, und dazu gehört auch, dass die Kleidung aneinander reibt und möglicherweise zusätzliche Elektronen auf der Weg. Die statische Aufladung durch so aufgeladene Kleidung ist zwar eher gering, aber man merkt sie auf jeden Fall noch, wenn man sie bekommt!

Fotokopiergeräte sind ein großartiges Beispiel dafür, wie statische Elektrizität sinnvoll genutzt werden kann. Das helle Licht, das das Dokument scannt, erzeugt einen elektrischen „Schatten“ des Bildes auf einem fotoleitenden (d. h. lichtempfindliches) Band, und wenn sich das Band dreht, nimmt es aufgrund statischer Aufladung negativ geladene Tonerpartikel auf aufladen.

Darunter führt ein weiteres Band ein Blatt Papier herum und lädt sich dabei stark positiv auf. Wenn die negativen Ladungen des Toners auf die positiven Ladungen des Papiers treffen, druckt der Toner selbst auf das Blatt Papier, im gleichen Muster wie der vom Fotoleiter aufgenommene Gürtel.

Ein anderes Beispiel soll Sie in einen Physikunterricht in der Schule zurückversetzen: Der Van de Graaff-Generator und die klassische Demonstration, bei der jemand, der die Kugel berührt, sich die Haare zu Berge steht. Der Generator arbeitet auf der Grundlage der Bewegung statischer elektrischer Ladungen, wobei ein Laufband über die gesamte Länge des Geräts und zwei metallische „Kämme“ zur Kontrolle der statischen Ladung ausgeführt werden.

Ein positiv geladener Kamm an der Unterseite (verbunden mit einer Stromquelle) zieht Elektronen aus dem Gürtel und lässt ihn zurück mit einer positiven Nettoladung, und diese Ladung wird oben von einem Kamm aufgenommen, der sie an der großen Kuppel verteilt oben. Wenn Sie während des Ladevorgangs die Kuppel berühren, nehmen einzelne Haarsträhnen passende Ladungen auf und stoßen sich gegenseitig ab, sodass sie zu Berge stehen!

Blitze sind eine sehr dramatische Demonstration der Kraft statischer Elektrizität, und Benjamin Franklin hat dies bewiesen eine der bekanntesten wissenschaftlichen Demonstrationen aller Zeiten, indem man während eines Gewitters einen Schlüssel an eine nasse Drachenschnur bindet.

Es ist zwar ein Mythos, dass der Drachen tatsächlich von einem Blitz getroffen wurde (dies hätte Franklin wahrscheinlich getötet), aber das elektrische Feld von der Sturm wurde von der Schnur aufgenommen, die – ähnlich wie bei der klassischen Van de Graaff-Generator-Demonstration – die Stränge des Garns stehen ließ Ende. Schließlich berührte Franklin die Taste und spürte das Zucken eines statischen Schocks, der deutlich die Verbindung zwischen Elektrizität und Blitzen demonstrierte.

Natürlich haben Wissenschaftler seit den Tagen von Benjamin Franklin viele weitere Details über den Prozess ausgefüllt. Ähnlich wie Kleidung, die im Trockner aneinander reibt oder ein Luftballon an den Haaren reibt, ist die statische Aufladung die einen Blitz erzeugt, entsteht durch Reibung und durch Eiskristalle in kalter Luft, die auf Wassertröpfchen aus warmer Luft treffen Masse.

Ladung baut sich an verschiedenen Stellen in der Wolke auf und bei ausreichend hoher Differenz in elektrisches Potential zwischen diesen Stellen (d.h. eine ausreichend hohe Spannung) wird in Form von a. freigesetzt Blitz. Dies kommt normalerweise vorinnerhalbWolken oder zwischen zwei Wolken, aber gelegentlich schlägt der Bolzen auf den Boden.

Der Aufbau statischer Aufladung durch Reibung und Reibung wird technisch als. bezeichnet triboelektrischer Effekt, und basierend auf diesem Artikel kennen Sie bereits die Details dessen, was dies verursacht und wie es funktioniert. Gegenstände, die sich berühren, führen dazu, dass einer von ihnen zusätzliche Elektronen aufnimmt (alle trägt negative Ladungen) und der andere entwickelt ein Elektronendefizit und damit ein positives Netz aufladen.

Der Grad, in dem verschiedene Materialien negative Ladung aufnehmen oder Elektronen verlieren und eine positive Ladung gewinnen, variiert jedoch basierend auf den Eigenschaften des Materials. Während Isolatoren im Allgemeinen statische Aufladungen besser aufnehmen können, nehmen unterschiedliche Isolatoren diese mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf.

Zum Beispiel nehmen die meisten Gummiarten und insbesondere Teflon sehr leicht Elektronen auf und eignen sich daher hervorragend für Demonstrationen und technische Teile, die von statischer Elektrizität abhängig sind. Materialien unterscheiden sich aufgrund ihrer „Elektronegativität“, das heißt im Wesentlichen ihrer Elektronenaffinität oder ihrer Tendenz, sie von anderen Objekten aufzunehmen.

Die triboelektrische Reihe ordnet verschiedene Materialien nach ihrer Fähigkeit, eine positive oder eine negative statische Aufladung aufzunehmen. Gegenstände, die weiter oben in der triboelektrischen Reihe platziert sind, neigen dazu, eine positive Ladung aufzunehmen. während diejenigen an der Unterseite eher Elektronen aufnehmen und eine negative Ladung aufnehmen als a Ergebnis. Je größer der Abstand zwischen zwei Elementen in der triboelektrischen Reihe ist, desto mehr wird durch das Aneinanderreiben eine statische Aufladung in beiden erzeugt.

Während die meisten Demonstrationen statischer Elektrizität lustige Vorführungen oder kleinere Kuriositäten sind, die Sie Begegnung im täglichen Leben ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass ungewollte statische Aufladung schwerwiegende Folgen haben kann Folgen.

Beispielsweise kann ein einzelner Funke durch statische Elektrizität brennbare Flüssigkeiten oder Gase entzünden und möglicherweise zu einer Explosion führen. Die statische Aufladung durch das Rutschen über Ihren Autositz kann möglicherweise sogar ein Problem verursachen, wenn es kommt es auf das Tanken an, daher sollten Sie vor dem Tanken immer das Metallteil des Autos berühren oben.

Natürlich,die meistenstatische Elektrizität ist eigentlich nur ein interessantes Phänomen, aber zu verstehen, wie es funktioniert, kann Ihnen in manchen Situationen helfen, Katastrophen zu vermeiden.