Die statische Elektrizität: ein Jahrtausende altes Phänomen endlich erklärt?

Wer hat nicht schon einmal gelacht, wenn er einen Luftballon an seinem Pullover gerieben und ihn dann an die Haare seiner Nachbarin gehalten hat, um diese „fliegen“ zu sehen? Nach mehr als 2000 Jahren des Rätsels hätte die Wissenschaft nun endlich das Geheimnis der statischen Elektrizität gelüftet. Reibung soll im Mittelpunkt des Phänomens stehen, aber wie funktioniert das genau?

Die ersten, die sich für dieses Phänomen interessierten, waren die alten Griechen, die beobachteten, wie Bernstein nach Reibung Gegenstände anzog. Doch bis vor Kurzem erklärte keine solide Theorie diese dennoch so vertraute Elektrizität präzise.


Im 18. Jahrhundert gab es bemerkenswerte Fortschritte mit Benjamin Franklin. Er führte die Begriffe positive und negative Ladung ein, doch seine Theorien über elektrische Flüssigkeiten erwiesen sich als unvollständig. Dank der Arbeit des Teams um Professor Laurence Marks von der Northwestern University wurde nun der Schlüssel zum Rätsel gefunden. Sie modellierten die statische Elektrizität auf nanometrischer Ebene und beleuchteten die Bedeutung der Reibung.

Die Forscher entdeckten, dass durch das Reiben eines Objekts Verformungen an dessen Vorder- und Rückseite auftreten. Diese Verformungen führen zu einer Verschiebung der elektrischen Ladungen und erzeugen so einen Strom. Das erklärt das Auftreten der statischen Elektrizität. Das von Laurence Marks entwickelte Modell basiert auf dem Konzept der „elastischen Scherung“, das heißt der Fähigkeit eines Materials, Reibung zu widerstehen.

Diese Widerstandsfähigkeit können Sie in Ihrem Alltag beobachten: Versuchen Sie, mit einem Glas auf Ihrem Tisch zu rutschen, oder gleiten Sie mit Socken über einen glatten Boden: Sie werden feststellen, dass das Rutschen am Anfang zwar funktioniert, aber bald aufhört, weil das Material (der Tisch oder der Boden) einen Widerstand ausübt. Genau dieser Gleitwiderstand zwingt die elektrischen Ladungen, sich neu zu verteilen, und erzeugt den beobachteten elektrischen Strom während der Reibung.

In Nano Letters beschreiben die Forscher detailliert, wie diese asymmetrischen Ladungen durch andere freie Ladungen kompensiert werden, was zur Bildung eines elektrischen Stroms führt. Die Auswirkungen dieser Entdeckung gehen weit über unsere Alltagserfahrungen mit statischer Elektrizität hinaus. Beispielsweise können in der Industrie durch dieses bislang schlecht verstandene Phänomen Explosionen auftreten.

Eine bessere Beherrschung dieses Phänomens könnte den Weg für eine Vielzahl praktischer Anwendungen ebnen. Zum Beispiel wird statische Elektrizität in der Lebensmittelindustrie bereits zur Verbesserung des Mahlens von Kaffeebohnen eingesetzt, aber sie könnte auch die Produktion von pharmazeutischen Pulvern optimieren. Im Weltraum könnte sie die Partikelmontage zur Herstellung von Materialien erleichtern oder bei der Sammlung von kosmischem Staub in der Weltraumerkundung genutzt werden.

Warum kommt es so häufig zu statischer Elektrizität in unserem Alltag?

Statische Elektrizität tritt oft in alltäglichen Situationen auf, zum Beispiel wenn Sie auf einem Teppich laufen oder einen Wollpullover anziehen. Das liegt daran, dass bestimmte Materialien wie Kunststoffe oder Stoffe leicht Ladungen ansammeln.

Im Alltag kann dieses Phänomen zwar geringe elektrische Entladungen hervorrufen, doch es findet auch industrielle Anwendungen, wie die Partikelkontrolle oder den elektrostatischen Druck.