Einführung in die Elektrostatik introduction into static ... · statik ist das nach außen...
6
www.dr-escherich.com ANHANG ANNEX Einführung in die Elektrostatik Introduction into static electricity Was ist statische Elektrizität? Das Phänomen „Statische Elektrizität“ entzieht sich direkter Beobachtbarkeit ist spürbar nur über Auswirkungen Beispiele aus dem Alltag: Knisternde Erscheinungen beim An- oder Ausziehen von Textilien abgewickelte Folie „klebt“ unkontrolliert aneinander Blitze bei Gewittern Staubpartikel, die sich an einem Bildschirm ablagern All diese Erscheinungen beruhen auf Elektrostatik, einem Ungleich- gewicht von „ruhenden“ elektrischen Ladungen in oder auf verschie- denen Objekten und deren Kraft- bzw. Entladungswirkung. Zum Verständnis ist die nähere Betrachtung des mikroskopischen Aufbaus von Objekten und Materialien notwendig. Jeder Körper, jedes Objekt, aber auch jede Flüssigkeit und jedes Gas bestehen aus Atomen und daraus zusammengesetzten Molekülen. What does static electricity mean? The phenomenon „static electricity“ is not observable directly can be noticed only due to it’s effects Everyday life examples: Crackling effects during someone is dressing or undressing Foil is sticking after winding up Lightnings during thunderstorms Dust particles attracted by a computer monitor All these effects are based on static electricity which is an imbalance of static electric charges in or on different objects. The imbalance causes force and discharge actions. To understand these things it is helpful to familiarize with the micros- copic structure of objects and materials. All bodies and objects as well as fluids and gases consist of atoms and molecules.
Transcript of Einführung in die Elektrostatik introduction into static ... · statik ist das nach außen...
www.dr-escherich.com
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.
www.dr-escherich.com
anhang annEx
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
www.dr-escherich.com
anhang annEx
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.
a
b
c
www.dr-escherich.com
anhang annEx
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“
www.dr-escherich.com
anhang annEx
a
b
c
a
b
c
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)
www.dr-escherich.com
anhang annEx
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
