einführung in die elektrostatik introduction into static ... · statik ist das nach außen...
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anhang annEx
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.
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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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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
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