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EinführungindieElektrostatikintroductionintostaticelectricity

WasiststatischeElektrizität?das phänomen „statische Elektrizität“

entziehtsichdirekterBeobachtbarkeit istspürbarnurüberAuswirkungen

beispiele aus dem alltag:

knisterndeErscheinungenbeimAn-oderAusziehenvontextilien abgewickelteFolie„klebt“unkontrolliertaneinander BlitzebeiGewittern Staubpartikel,diesichaneinemBildschirmablagern

AlldieseErscheinungenberuhenaufElektrostatik,einemUngleich-gewichtvon„ruhenden“elektrischenLadungeninoderaufverschie-denenObjektenundderenkraft-bzw.Entladungswirkung.ZumVerständnisistdienähereBetrachtungdesmikroskopischenAufbausvonObjektenundMaterialiennotwendig.Jederkörper,jedesObjekt,aberauchjedeFlüssigkeitundjedesGasbestehenausAtomenunddarauszusammengesetztenMolekülen.

Whatdoesstaticelectricitymean?the phenomenon „static electricity“

isnotobservabledirectly canbenoticedonlyduetoit’seffects

Everyday life examples:

Cracklingeffectsduringsomeoneisdressingorundressing Foilisstickingafterwindingup Lightningsduringthunderstorms Dustparticlesattractedbyacomputermonitor

Alltheseeffectsarebasedonstaticelectricitywhichisanimbalanceofstaticelectricchargesinorondifferentobjects.theimbalancecausesforceanddischargeactions.tounderstandthesethingsitishelpfultofamiliarizewiththemicros-copicstructureofobjectsandmaterials.Allbodiesandobjectsaswellasfluidsandgasesconsistofatomsandmolecules.

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DieAtomeihrerseitsbestehenunteranderemauspositivgeladenenProtonenundnegativgeladenenElektronen.WichtiginderElektro-statikistdasnachaußen„sichtbare“Verhältnisbzw.derzahlenmäßigeUnterschiedzwischendiesenLadungen:

a)AnzahlElektronen=AnzahlProtonen→Atomelektrischneutral

b)AnzahlElektronen>AnzahlProtonen→ionelektrischnegativ

c)AnzahlElektronen<AnzahlProtonen→ionelektrischpositiv

DiegleicheBetrachtunggiltfürMoleküleundObjekteoderMaterialien,dieausdiesenAtomenbestehen:überwiegendienegativenLadungs-träger,dannistderGegenstandnegativaufgeladenundumgekehrt.

Eachatomconsistsofpositivelychargedprotonsandnegativelychargedelectronsamongstothers.importantforstaticelectricityistheratioofcharges:

a)numberofelectrons=numberofprotons→atomneutral

b)numberofelectrons>numberofprotons→ionnegativelycharged

c)numberofelectrons<numberofprotons→ionpositivelycharged

inasimilarmannertheratioofcarriersresultsinthechargeofobjectsandmaterialsconsistingofatoms.ifnegativecarriersprevail,thentheobjectisnegativelychargedandviceversa.

a

b

c

a

b

c

AlleObjekteoderMaterialienbestehenausAtomenAllobjectsormaterilasconsistofatoms

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EntstehungelektrostatischerLadungenBeiderEntstehungelektrostatischerLadungenhandeltessichumeinkontaktphänomen.

1) BringtmanzweiMaterialieninengenkontakt(wenigenano-meter),soverschiebensichdieLadungsträger(Elektronen)imkontaktbereichüberdieOberflächengrenzenhinwegentsprechenddenphysikalischenEigenschaftenderMaterialien.(übertrittvonElektronen)

2) WerdendieMaterialiennunwiedervoneinandergetrennt,soverbleibendieLadungsträgerteilweiseanihrer„verschobenenPosition“.DasführtbeidemeinenMaterialzueinemElektronen-überschuss(negativeAufladung)undbeidemanderenMaterialzueinemElektronenmangel(positiveAufladung).DieseVorgängebe-treffensowohlelektrischleitendeMaterialienalsauchisolatoren.

DiebeschriebenenEffektebetreffennichtnurfesteGegenständeundMaterialien,sondernauchsolcheinflüssigemodergasförmigemZustand.

weitere ursachen elektrostatischer aufladungen:

hoheelektrischeGleichspannungsfelder(influenz) Verformungund/oderAbkühlungvonGegenständen Reibungu.a.

beeinflussende faktoren bei der Entstehung elektrostatischer ladungen

HöheundPolaritätderAufladungwerdenbeeinflusstdurch:

ArtdesMaterials

Umgebungsbedingungen(temperatur,Luftfeuchte)

Oberflächeneigenschaften(Rauhigkeit)

SichwiederholendeVorgängevonkontaktundtrennungdergleichenkörperkönnenzurErhöhungderAufladungführen.

DieGesamtstärkeeinerelektrostatischenAufladungkanndurchdasZusammenbringenvieleraufgeladenerGegenständebeträcht-licheAusmaßeannehmen.

AuchdieGeschwindigkeitz.B.beimtrennenderGegenständespielteineRolle–jehöherdieGeschwindigkeit,destohöheristi.A.auchdieAufladungderbeteiligtenOberflächen.

Originofstaticcharges

theoriginofstaticchargesisacontactphenomenon.

1) Astwomaterialsareincontactthesurfaceatomsoneachmaterialcomeintoverycloseproximitywitheachother(fewna-nometers).theelectronsofthesurfaceatomscanbemovedfromonematerialtotheother.thedirectionandthestrengthofthemovementdependsonthephysicalpropertiesofthematerials.(transferofelectrons)

2) ifthetwomaterialsareseparated,thenthemovedelectronsremainpartially.thisleadstoanexcessofelectronswithintheonematerial(negativelycharged)andtoadeficiencyofelectronswithintheother(positivelycharged).theseprocessesoccurinconductiveaswellasinsulatingmaterials.

theseeffectsdescribedaboveappearinsolidmaterialsaswellasfluidsandgases.

other causes for static charges of objects:

Strongelectricfields(induction) Deformationand/orcoolingdownofmaterials Frictionamongotherthings

factors affecting static electricity Magnitudeandpolarityofastaticchargeareaffectedby:

typeofmaterial

Environmentalconditions(humidity,temperature)

Surfacecharacteristics(roughness)

Repetition:repeatedprocessesofcontactandseparationcanincreasethechargeofmaterials.

thecombinationofmanychargeditemscanleadtoextremelyhighcharges.

Separationratee.g.thefastertheseparationofthematerials,thehigherchargegenerated.

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MessungelektrostatischerAufladungenElektrostatischeAufladungenführenzuelektrischenFeldern,derenFeldlinienvondernegativerenzurpositiverenFlächeverlaufen.AllegeladenenObjekte,diesichineinemsolchenFeldbefinden,oderineinsolchesFeldeindringenerfahreneinekraft,diedurchdasFeldaufsiewirkt.Sokannmanbeispielsweiseauchdie„zuBergestehendenHaare“erklären,diebeimkämmenfrischgewaschenerHaarebeob-achtbarsind.

DiesekraftwirktauchaufElektroneninelektrischenLeiternundsomitkanndieverursachendeelektrostatischeAufladungüberihreWirkungdurchspezielleMessgerätequantifizierbargemachtwerden.SolcheMessinstrumentewerdenalsFeldstärkemessgeräteoderElektrofeld-meterbezeichnet.

DieelektrostatischeAufladungwirdgewöhnlichinVolt/Meter,alsoderEinheitderelektrischenFeldstärkegemessen.

MeasurementofstaticchargesStaticchargesleadtoelectricfields,whoseelectricfluxlinesrunfromthemorenegativetothemorepositivesurface.Allchargedobjects,locatedwithinorentersuchafield,experienceaforceactingonit.thus„thehairstandonend“canbeexplained,whichoccurafterwashingandcombing.

thisforceactsonelectronswithinconductorstooandthusitispossibletomeasurethestaticchargebyspecialmeters.Suchinstrumentsarecalledstaticmeter,staticmonitororelectrostaticfieldmeter.

Staticelectricityisusuallymeasuredinvolts/meter,theunitofelectricfield.

EinbekanntesPhänomen–die„zuBergestehendenHaare“Awellknownphenomenon–the„hairstandonend“

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a

b

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EntladungundEliminierungelektrostatischerAufladungen getrennte ladungen haben das bestreben sich auszugleichen:

Beileitfähigen,aufgeladenenMaterialienwieMetallenfließenüberschüssigenegativeLadungsträgeraboderfehlendeElektronenzugeladenenFlächenhin,wenndiesemitMasse/Erdekontaktiertwerden.

GeladeneFlüssigkeits-oderLuftmoleküle,diemitderOberflächeinkontakttreten,liefernfehlendeLadungsträgerodernehmenüberschüssigeLadungenaufundführensozueinerneutralisierung.(z.B.ErhöhungderLuftfeuchte)

LadungsausgleichkannauchinnerhalbdesGegenstandesselbststattfinden,wennesBereicheunterschiedlicherLadungengibtundderGegenstandeinenendlichenelektrischenWiderstandaufweist.

Achtung:AuchmetallischeGegenständekönnenelektrostatischaufgeladenwerden,solangesieisoliertsind!

die gezielte Elimination unerwünschter aufladungen kann durch verschiedene methoden erfolgen:

a) Passiveionisation:einmitErdpotentialverbundenerelektrischerLeiter,dersehrnaheandemaufgeladenenObjektpositioniertwird,kannbeientsprechendgewählterGeometriezurionisationvonLuftmolekülenführen,diedannbeimkontaktmitderOberflächezurEntladungführen.DieionisationerfolgtdabeidurcheinelektrischesFeld,wassichdurchdieaufgeladeneOberflächeinRichtungdesionisatorsbildet.PassiveionisatorenkönnesehrhoheAufladungenstarkreduzieren,jedochniemalsgänzlicheliminieren.

b) Radioaktiveionisation:dieErzeugungionisierterLuftmolekülewirddurchradioaktiveQuellenerreicht.AufgrundderSchwierigkeitenundmöglichenGefahrenbeimUmgangmitradioaktivenStoffenwirddieseVariantenurinsehrspeziellenFällenangewandt.

c) Aktiveionisation:MiteinerHochspannungverbundeneSpitzen-elektrodensindAusgangspunktstarkerelektrischerFelder,diedieumgebendeLuftionisieren.DieerzeugtenLuftionenkönnenbeikontaktmitderaufgeladenenOberflächewechselwirkenunddiesedabeientladen.DadieErzeugungderLuftionenbeimaktivenioni-satorunabhängigvomaufgeladenenObjektstattfindet,kanndiesesbeientsprechenderEinstellungimGegensatzzurpassivenionisa-tionvollständigentladenwerden.ManunterscheidetWechsel-stromsysteme(AC)undGleichstromsysteme(DC)unddavonnochunterschiedlichpulsierendeVarianten.

d) Antistatika:überschüssigeLadungenkönnendurchBenetzungmitspeziellenflüssigenMedien,sogenanntenAntistatikaabgeleitetwerden.DieseVariantebleibtaufAnwendungenbeschränkt,beidenendieBenetzungkeineunerwünschtennebeneffektefürdasObjekthat.

Dischargingandeliminationofstaticcharges separated charges tend to balance:

inconductive,chargedmaterialslikemetalsthenegativechargesflowtothemissingelectrodesonthechargedareasiftheseareasarecontactedwithground.

Chargedmoleculesfromfluidorair,whichcontactthechargedsurface,deliverthelackofchargesorabsorbcharges.thisleadtoneutralizationofsurface.

neutralizationofchargescanoccurwithinthematerialitself,iftherearedomainsofdifferentchargestrengthandthematerialhasafiniteresistance.

Payattention:Metallicobjectscanbestaticallychargedtoo,iftheyareisolated!

there are different methods to eliminate unwanted static charges:

a)Passiveionization:agroundedconductorpreparedwithdistinctgeometryandlocatedinproximityofthechargedobjectsisabletoionizethesurroundingairmolecules.thisairionsleadtodischargeincaseofcontactwiththesurface.ionizationiscausedbyelectricfieldbetweenthechargedsurfaceandtheionizer.thistypeofionizercanreducethechargeveryefficientlybutnevercompletelyneutralize.

b)Radioactiveionization:radioactivesourcesleadtotheionizationofsurroundingair.Duetothedifficultiesanddangersinconnectionwithradioactivematerialsthismethodislimitedtoveryspecificapplications.

c)Activeionization:Sharppinsconnectedtoahighvoltagepowersupplyactassourceofstrongelectricalfields.thesefieldsleadtoionizationofairmolecules,whichcaninteractwiththechargedsurfaceanddischargeit.theformationofionizedairmoleculesbytheactiveionizerdoesnotdependonthechargedobject.thusthissystemisabletoneutralizethechargedsurfacecompletelycontrarytothepassivesystem.Adistinctionisdrawnbetweenalternatingcurrent(AC)systemsanddirectcurrent(DC).AdditionallythereareDCpulsedsystems.

d) Staticinhibitors:Excessivechargesaredrainedoffinconsequenceofthewettingwithspecialfluidscalledstaticinhibitors.thisalter-nativeislimitedtoapplicationswhicharenon-sensitivetothesefluids.

PassiveionisationPassiveionization

AktiveionisationActiveionization

a) c)

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Applikationen probleme durch störende aufladung und deren Eliminierung

AusprägungenstörenderelektrostatischerAufladungeninindustriellenProzessen:

a) Elektrostatische verschmutzung:AufgeladeneStaubpartikeloderPartikeldieimProduktionsprozessentstehen,werdendurchanders-artiggeladeneoderauchneutraleOberflächenangezogenundverunreinigendiese.DasstellteinewesentlicheBeeinträchtigungfürdieWeiterverarbeitungdar,verzögertdenFertigungsprozessoderführtsogarzuProduktionsstillständenundAusschuss.SomüssenbeispielsweiseOberflächenvordemLackierenabsolutstaubfreisein,umeineeinwandfreieBeschichtungzuerhalten.

b) Elektrostatische anziehung:ProblemekönnenaufgeladeneGegenständeauchdurchdieunerwünschteAnziehunguntereinan-derodermitMaschinenteilenmachen.Beispiel:Materialtransportstörungen

c) Elektrostatische Entladungen:Entladungüberdenmenschlichenkörper:MeistenskeindirekterkörperlicherSchaden,aberphysischesUnbehagen,SchreckhandlungenresultierendinUnfällenundVerletzungen.

EntladunginexplosionsgefährdetenBereichen:VerheerendeFolgenfordernunbedingteVermeidung.Z.B.Arbeits-bereichemitLösungsmittelnoderexplosivenStäuben.

EntladungeninderElektronik-/Mikroelektronikindustrie:BereitsschwacheEntladungenführenzurZerstörungelektronischerBauelemente.

gewünschte aufladung und deren Erzeugung

GezielteAufladungvonOberflächen

ErzeugungunterschiedlicherLadungen temporäreVerbindungunterschiedlichgeladenerFlächen

beispiele:

FixierungverschiedenerFolienaufeinander gezieltesPositionierenundFesthalteneinesGegenstandes

Applications problems caused by charging and its elimination

Differentformsofunwantedstaticchargeswithinindustrialprocesses:

a)static caused contamination:chargeddustparticlesorparticlesgeneratedduringtheproductionprocessareattractedbyoppositelychargedorneutralsurfacesandthusresultincontamination.thisisanimpairmentofmaterialforthefollowingproductionprocessandleadtodelayandproductionstopandscraprate.Forexamplesurfaceswhichhastobevarnished,mustbeabsolu-telydustfree.

b) static attraction:Chargedobjectscancauseproblemsduetoattractionamongeachotherortomachineparts.Example:Errorsinthetransportationofmaterial

c)static discharges:Dischargethroughhumanbody:Mostlydischargeofchargedobjectsdoesnotleadtobodilyinjury,buttophysicaldiscomfort,shockdrivenactionsresultinginacci-dentsandinjuries.

Dischargeinhazardousareas:Suchdischargescanresultindisastrouseffectsandthereforehavetobeabsolutelyavoided.E.g.areasofoperationswithsolventsorexplosivedust.

Dischargesinelectronicsormicroelectronics(ESD):Alreadyweakdischargesleadtodestructionofelectronicdevices.

wanted charges and generation

targetedchargingofsurfaces

Generatingofdifferentcharges temporaryconnectionofdifferentchargedsurfaces

Examples:

Facetofacecontactoffoils Positioningandadherenceofobjects

StaubpartikelaufeineraufgeladenenkunststoffoberflächeDustparticlesonachargedplasticsheet

AktiveionisationActiveionization