Neue Erklärung für statische Elektrizität: Warum Reiben Ladung erzeugt

Im Jahr 600 v. Chr. beobachtete der griechische Philosoph Thales von Milet, dass sich Staub am Fell festsetzte, nachdem er Fell an Bernstein gerieben hatte.

Aus dieser winzigen entstehenden Ladung wurde später das, was wir heute als statische Elektrizität bezeichnen.

Viele kennen sie als Knistern und Aufplustern der Haare beim Bürsten oder als Effekt, bei dem ein Ballon nach dem Reiben am Kopf an der Decke haften bleibt. Doch obwohl das Phänomen alltäglich ist, versuchen Forschende seit Jahrhunderten zu klären, wodurch es genau ausgelöst wird.

Inzwischen gibt es eine schlüssige Erklärung: Beim Gleitvorgang, der statische Elektrizität erzeugt, wirken am Anfang und am Ende der Bewegung unterschiedliche Kräfte. Dadurch entsteht zwischen Vorder- und Rückseite ein Ladungsunterschied – und genau dieser Unterschied führt zu dem typischen Knistern der statischen Elektrizität.

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

„Viele haben es versucht, aber sie konnten experimentelle Ergebnisse nicht erklären, ohne Annahmen zu machen, die nicht begründet oder begründbar waren. Wir können das jetzt, und die Antwort ist überraschend einfach. Allein unterschiedliche Verformungen – und damit unterschiedliche Ladungen – an Vorder- und Rückseite eines gleitenden Körpers führen zu Strom.“

Vom antiken Bernstein zur modernen Erklärung

Statische Elektrizität tritt extrem häufig auf, und die Bedingungen, unter denen sie besonders leicht entsteht, sind gut bekannt. Entsteht sie durch das Aneinanderreiben zweier Materialien, spricht man von Tribolelektrizität; der Ladungsaustausch zwischen den beiden Oberflächen heisst triboelektrischer Effekt.

Gerade dieser triboelektrische Effekt war jedoch schwerer zu fassen. Sicher war im Grunde nur eines: Wenn man zwei Materialien aneinander reibt, entsteht Tribolelektrizität.

Der triboelektrische Effekt: Durchbruch 2019 und das neue Modell

Dann gelang Marks und seinen damaligen Kolleginnen und Kollegen 2019 ein entscheidender Schritt: Sie zeigten, dass das Reiben zweier Materialien die mikroskopisch kleinen Erhebungen auf deren Oberflächen verformt. Diese Veränderungen in der Oberflächenstruktur erzeugen eine Spannung.

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

„2019 hatten wir den Keim dessen, was hier passiert. Aber wie bei allen Keimen braucht es Zeit, um zu wachsen“, sagte Marks. „Jetzt ist es aufgeblüht. Wir haben ein neues Modell entwickelt, das elektrischen Strom berechnet. Die Stromwerte für eine Reihe unterschiedlicher Fälle stimmten gut mit experimentellen Ergebnissen überein.“

Elastische Scherung als Schlüssel zur Tribolelektrizität und statischen Elektrizität

Ihre Berechnungen und Experimente machen deutlich, dass ein Grundprinzip der Reibung für die Entstehung statischer Elektrizität entscheidend ist: die elastische Scherung, also die Fähigkeit eines Materials, die Beanspruchung durch Gleiten auszuhalten. Reibt man zwei Materialien aneinander, setzen sie der Bewegung einen Widerstand entgegen – Reibung entsteht. Deshalb kommt man selbst dann irgendwann zum Stillstand, wenn man in Socken über einen glatten Boden rutscht.

Wenn isolierende Oberflächen aneinander reiben, unterscheiden sich die elastischen Dehnungen an der Vorderseite des Körpers von denen an der Rückseite. Damit sind auch die Ladungen und die Polarisation vorne und hinten nicht gleich – und zwischen diesen unterschiedlichen Ladungen kann sich ein Strom ausbilden.

Das Modell erklärt nicht jeden einzelnen Aspekt der Tribolelektrizität, scheint aber den zentralen Teil des Problems zu lösen. Mit weiterer Auswertung und zusätzlichen Experimenten sollen die feinen Details geklärt werden – im Idealfall nicht nur, um Tribolelektrizität vollständig zu verstehen, sondern auch, um sie gezielt steuern zu können.

Statische Elektrizität zu verstehen, ist aus mehreren Gründen sinnvoll. Ihre Aufladung kann in der Fertigung Schwierigkeiten verursachen und auch bei Windturbinen problematisch sein. Funken durch statische Elektrizität können Brände auslösen. Und möglicherweise hat sie sogar zu unserer Existenz beigetragen: Elektrostatik gilt als eine Art „Klebstoff“, der vor Milliarden Jahren die allerersten Staubkörner gebunden haben könnte, aus denen unser Planet entstand.

„Statische Elektrizität beeinflusst das Leben auf einfache und auf tiefgreifende Weise“, sagt Marks. „Es ist erstaunlich, wie sehr statische Elektrizität unseren Alltag berührt und wie stark das Universum von ihr abhängt.“

Die Forschung wurde in Nano Letters veröffentlicht.