Die Kontaktelektrizität lässt uns die Haare zu Berge stehen, wenn wir sie mit einem Luftballon reiben.
Das hat vermutlich jeder schon einmal erlebt: Beim Kämmen verhalten sich die Haare plötzlich seltsam widerborstig - sie stehen vom Kopf ab und werden vom Kamm angezogen.
Der Effekt lässt sich noch ein wenig spektakulärer mit einem aufgeblasenen Luftballon demonstrieren.
Reibt man diesen an seinen Haaren, so entzieht er den Haaren - genau wie ein Kamm - Elektronen, lädt sich so negativ auf und zieht die positiv geladenen Haare an.
Doch was steckt hinter diesem Phänomen?
Die elektrostatische Aufladung ist seit der Antike bekannt.
Schon vor 2.500 Jahren entdeckten antike Gelehrte, dass sich bestimmte Materialien bei Reibung aufladen - beispielsweise Bernstein.
Vor rund 250 Jahren erkannte der Universalgelehrte Benjamin Franklin dann, dass hinter dieser elektrostatischen Aufladung ein Ladungsaustausch der beteiligten Materialien steckt.
„Die Kontaktelektrizität ist auch in vielen Bereichen der Natur essenziell, von der Aufladung der Gewitterwolken über das Pollensammeln der Insekten bis zur Akkretion von Staub bei der Entstehung von Protoplaneten“, erklären Juan Carlos Sobarzo vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA).
Umso erstaunlicher ist es, dass eine entscheidende Frage zur Kontaktelektrizität von Nichtmetallen bis heute nicht geklärt ist: Was bestimmt, wie stark sich ein bestimmtes Material auflädt und ob es bei Kontakt mit einem zweiten positiv oder negativ wird?
Merkwürdigerweise ergeben Tests aber ganz verschiedene Reihenfolgen trotz gleicher Materialien.
Diese Diskrepanzen treten sowohl zwischen verschiedenen Forschergruppen auf als auch bei simpler Wiederholung des Versuchs durch dieselben Wissenschaftler.
Aber warum?
Um herauszufinden, was hinter diesem Chaos steckt, führten Sobarzo und sein Team nun ein Experiment mit Blöcken desselben Materials durch, des siliziumhaltigen Polymers Polydimethylsiloxan (PDMS).
Zunächst schien das Ergebnis vielversprechend: „Ich nahm einen Satz Proben, die ich zur Hand hatte, und zu meiner Überraschung sah ich, dass sie sich beim ersten Versuch in einer Reihe anordneten“, berichtet Sobarzo.
Nach unzähligen weiteren Versuchen entdeckten die Physiker schließlich die Lösung des Rätsels: Der Grad der Aufladung hing davon ab, ob und wie oft die Polymerblöcke bereits zuvor die Tests durchlaufen hatten.
Das aber bedeutet: „Der Kontakt selbst kann die Parameter beeinflussen, die die Kontaktelektrizität hervorrufen. Mit anderen Worten: Unser Material ‚erinnert‘ sich an seine Kontaktgeschichte“, schreiben die Forschenden.
„Sobald wir angefangen haben, die Kontakthistorie der Proben zu verfolgen, ergaben vermeintliche Zufälligkeit und Chaos tatsächlich einen Sinn“, sagt Waitukaitis.
Doch wie ist dieses „Kontaktgedächtnis“ zu erklären?
Die Analysen enthüllten subtile Unterschiede in der Rauigkeit der Oberflächen: „Es zeigte sich ein überraschendes Merkmal - kontaktierte Oberflächen sind in höheren räumlichen Maßstäben glatter“, berichten Sobarzo und seine Kollegen.
Diese winzigen Veränderungen der Oberflächen liefern damit eine Erklärung für das neuentdeckte „Kontaktgedächtnis“ bei der elektrostatischen Aufladung.
Dennoch sehen die Physiker in ihren Erkenntnissen einen wichtigen Fortschritt bei der Lösung des jahrhundertelangen Rätsels zur Kontaktelektrizität.
„Wir haben es geschafft, einen starken Hinweis auf einen schwer fassbaren Mechanismus zu liefern, der für unser Verständnis von Elektrizität und Elektrostatik grundlegend ist“, sagt Sobarzo.
„Wir haben gezeigt, dass die Erforschung der statischen Elektrizität nicht mehr so hoffnungslos ist“, sagt Waitukaitis.
Das Kontaktgedächtnis der Materialen bedeutet aber auch, dass ihr Verhalten unter Alltagsbedingungen weiterhin schwer vorhersagbar ist - weil wir die Kontaktgeschichte nicht kennen.
Die Erfahrung zeigt uns, dass die Ladung neben der Energie und dem Impuls eine weitere Erhaltungsgröße ist.
Heute wissen wir: Beim Vorgang des Reibens zweier Stoffe werden keine neuen Ladungen erzeugt.
Stattdessen werden vorhandene Ladungsteilchen der Körper umverteilt.
Wenn man einen Luftballon an seinen Haaren reibt, lösen sich negative Ladungen aus den Haaren und sammeln sich im Luftballon.
Haare, die durch statische Elektrizität angezogen werden
Experimente zur statischen Elektrizität
Hier sind einige Experimente, die du selbst ausprobieren kannst, um die Phänomene der statischen Elektrizität besser zu verstehen:
Klebender Strohhalm
Material:
- 1 Strohhalm aus Kunststoff
Anleitung:
- Nimm einen Strohhalm und reibe ihn mehrmals (30x) mit deiner Kleidung oder deinen Haaren (nur in eine Richtung).
- Halte den Strohhalm an die Wand und lass ihn los.
- Notiere deine Beobachtungen.
Luftballon und Wasserstrahl
Material:
- Luftballon
Anleitung:
- Geh zu einem Waschbecken und dreh das Wasser so auf, dass ein durchgängiger sehr dünner Wasserstrahl entsteht.
- Reibe den Luftballon ca. 20 Mal an deinen Haaren hin und her.
- Nähere dich mit dem Luftballon langsam an den Wasserstrahl an, ohne ihn dabei zu berühren.
- Achte genau auf die Richtung des Wasserstrahls.
- Notiere deine Beobachtungen.
Salz und Pfeffer
Material:
- Plastikfolie
- Papiertaschentuch
- Pfeffer
- Salz
- Teller
Anleitung Teil 1:
- Leg die Folie auf den Tisch und reibe sie überall mehrmals (30x) mit dem Papiertaschentuch.
- Verteile etwas Salz auf dem Teller.
- Hebe anschließend die Folie vorsichtig an beiden Enden auf und halte sie über den Teller.
- Notiere deine Beobachtungen.
- Entferne das Salz von der Folie.
Anleitung Teil 2:
- Leg die Folie auf den Tisch und reibe sie überall mehrmals (30x) mit dem Papiertaschentuch.
- Verteile etwas Pfeffer auf dem Teller.
- Hebe anschließend die Folie vorsichtig an beiden Enden auf und halte sie über den Teller.
- Notiere deine Beobachtungen.
- Vergleiche deine Beobachtungen miteinander und notiere die Unterschiede, die dir aufgefallen sind.
Mini-Alukugeln und Papierschnipsel
Material:
- Strohhalm
- Papierschnipsel und Mini-Alukugeln in kleiner Plastikdose
- Taschentuch
Anleitung Teil 1:
- Nimm den Strohhalm und reibe ihn mehrmals (ca. 30x) an deiner Kleidung oder an einem Taschentuch (nur in eine Richtung).
- Nähere dich mit dem geriebenen Strohhalm an die Dose mit den Papierschnipseln an.
- Achte auf die Papierschnipsel und wie lange sie haften bleiben.
- Notiere deine Beobachtungen.
Anleitung Teil 2:
- Nimm den Strohhalm und reibe ihn mehrmals (ca. 30x) an deiner Kleidung oder an einem Taschentuch (nur in eine Richtung).
- Nähere dich mit dem geriebenen Strohhalm an die Dose mit den Alukügelchen an.
- Achte auf die Alukügelchen und wie lange sie haften bleiben.
- Notiere deine Beobachtungen.
- Vergleiche deine Beobachtungen miteinander und notiere die Unterschiede, die dir aufgefallen sind.
Erklärung
Näherst du dich mit einem negativ geladenen Strohhalm der neutral geladenen Wand an, so gibt es an dieser Stelle der Wand eine Verschiebung der Ladungen in den Atomen.
Die Atomkerne der Wand bleiben an Ort und Stelle, jedoch bewegen sich die Elektronen so weit wie möglich von der sich nähernden negativen Ladung weg.
Sie rücken sozusagen an ein Ende der Atomhülle.
Nun ist aber der positiv geladene Atomkern dem negativ geladenen Gegenstand näher als die Elektronen in der Hülle.
So kommt es zu einer Anziehung.
Die positiv geladenen Protonen im Kern ziehen den negativ geladenen Strohhalm an.
Diese Ladungsverschiebung im Atom nennt man in der Fachsprache Polarisation.
Eine Seite des Atoms wird für kurze Zeit (solange der geladene Gegenstand in der Nähe bleibt) positiv, die andere Seite des Atoms negativ geladen.
Luftballons statisch aufladen | Experimente für Kids
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