Statische Elektrizität: Forschende lösen ein altes Rätsel

Bereits 600 v. Chr. beobachtete der griechische Philosoph Thales von Milet, dass Fell Staub anzog, nachdem er es an Bernstein gerieben hatte.

Die dabei entstandene geringe Ladung wurde später als statische Elektrizität bezeichnet.

Statische Elektrizität: ein jahrhundertealtes Rätsel

Vielleicht kennen Sie sie als Knistern und abstehende Haare beim Bürsten oder als die Kraft, durch die ein Ballon nach dem Reiben an den Haaren an der Decke haftet. Doch Forschende versuchen seit Jahrhunderten zu klären, wodurch dieses Phänomen ausgelöst wird.

Nun gibt es endlich eine Antwort: Am Anfang und am Ende der Gleitbewegung, die statische Elektrizität erzeugt, wirken unterschiedliche Kräfte. Dadurch entsteht zwischen Vorder- und Rückseite ein Ladungsunterschied, der das typische Knistern verursacht.

„Zum ersten Mal können wir ein Rätsel erklären, das zuvor niemand erklären konnte: warum Reiben entscheidend ist“, sagt der Materialwissenschaftler Laurence Marks von der Northwestern University in den USA.

„Viele haben es versucht, konnten Versuchsergebnisse aber nicht erklären, ohne unbegründete oder nicht zu rechtfertigende Annahmen zu treffen. Wir können das jetzt, und die Antwort ist überraschend einfach. Allein unterschiedliche Verformungen – und damit unterschiedliche Ladungen – an Vorder- und Rückseite eines gleitenden Objekts führen zu Strom.“

Statische Elektrizität tritt ausgesprochen häufig auf, und die Bedingungen, unter denen sie besonders wahrscheinlich entsteht, sind gut bekannt. Wird sie durch das Reiben zweier Materialien erzeugt, spricht man von Triboelektrizität; die Übertragung von Ladung zwischen den beiden Oberflächen wird triboelektrischer Effekt genannt.

Der triboelektrische Effekt selbst ließ sich jedoch bislang schwerer erklären. Sicher war lediglich, dass das Aneinanderreiben zweier Materialien Triboelektrizität hervorbringt.

Triboelektrizität und elastische Scherung

2019 gelang Marks und seinen damaligen Kolleginnen und Kollegen ein Durchbruch: Sie stellten fest, dass das Reiben zweier Materialien die mikroskopisch kleinen Erhebungen auf deren Oberflächen verformt. Diese Veränderungen der Oberflächenstruktur erzeugen Spannung.

In einer neuen Arbeit haben Marks und der Erstautor Karl Olson von der Northwestern University nun die übrigen Teile des Puzzles ergänzt.

„2019 hatten wir bereits den Keim dessen, was geschieht. Doch wie jeder Keim brauchte er Zeit zum Wachsen“, sagte Marks. „Jetzt ist er aufgeblüht. Wir entwickelten ein neues Modell zur Berechnung elektrischen Stroms. Die Stromwerte für eine Reihe unterschiedlicher Fälle stimmten gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.“

Ihre Berechnungen und Experimente zeigen, dass ein zentraler Begriff der Reibung entscheidend für die Entstehung statischer Elektrizität ist: die elastische Scherung, also die Fähigkeit eines Materials, der Beanspruchung durch Gleiten standzuhalten. Reibt man zwei Materialien aneinander, setzen sie der Bewegung Widerstand entgegen und erzeugen dadurch Reibung. Deshalb kommt man selbst beim Rutschen auf einem polierten Fußboden in Socken irgendwann zum Stillstand.

Wenn isolierende Oberflächen gegeneinander reiben, unterscheiden sich die elastischen Verformungen an der Vorderseite eines Körpers von jenen an seiner Rückseite. Entsprechend sind auch Ladungen und Polarisierung auf Vorder- und Rückseite des Materials verschieden, wodurch sich zwischen den unterschiedlichen Ladungen ein Strom entwickelt.

Warum das Verständnis statischer Elektrizität wichtig ist

Das Modell erklärt nicht jeden Aspekt der Triboelektrizität, scheint jedoch den wesentlichen Teil des Problems zu lösen. Weitere Analysen und Experimente sollen Forschenden helfen, die Details zu entschlüsseln – und hoffentlich nicht nur Triboelektrizität besser zu verstehen, sondern sie auch kontrollieren zu können.

Es gibt zahlreiche gute Gründe, statische Elektrizität verstehen zu wollen. Ihre Ansammlung kann in der Fertigung und bei Windturbinen Probleme verursachen. Funken durch statische Elektrizität können Brände auslösen. Zudem könnte statische Elektrizität teilweise für unsere gesamte Existenz verantwortlich sein: Elektrostatische Kräfte gelten als der Klebstoff, der vor Milliarden Jahren die allerersten Staubkörner verband, aus denen unser Planet entstand.

„Statische Elektrizität beeinflusst das Leben auf einfache wie auf tiefgreifende Weise“, sagt Marks. „Es ist erstaunlich, wie viele Bereiche unseres Lebens von statischer Elektrizität berührt werden und wie sehr das Universum von ihr abhängt.“

Die Forschungsarbeit wurde in Nano Letters veröffentlicht.