Assistenzprofessor Neils Jonassen verfasste eine zweimonatliche Statik-Kolumne, die im Compliance Engineering Magazine erschien. Die Serie untersuchte Aufladung, Ionisierung, Explosionen und andere ESD-bezogene Themen. Die ESD Association veröffentlicht in Zusammenarbeit mit dem IN Compliance Magazine diese Serie neu, da die Artikel einen zeitlosen Einblick in das Gebiet der Elektrostatik bieten.
Professor Jonassen war von 1983-2006 Mitglied der ESD Association. Er erhielt 1989 den ESD Association Outstanding Contribution Award und war Autor von Fachartikeln, Büchern und technischen Berichten. Wir erinnern uns an seine Beiträge zum Verständnis der Elektrostatik, und in seinem Gedenken lassen wir „Mr. Static“ wieder aufleben.
~ The ESD Association
Abgedruckt mit Genehmigung aus: Compliance Engineering Magazine, Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon
Die Frage nach den Wechselwirkungen zwischen dem Phänomen der statischen Elektrizität und dem Menschen kann auf zwei Arten betrachtet werden: wie der Mensch statische Aufladungen verursacht und wie er davon betroffen ist. Ersteres mag nicht immer gut verstanden werden, ist aber im Allgemeinen unumstritten. Das zweite ist jedoch Gegenstand vieler unbegründeter Spekulationen.
Wie Menschen statische Aufladungen verursachen
Der bekannteste Aufladeprozess, der von Menschen erzeugt wird, ist der des Gehens über einen isolierten Bodenbelag. Auf den ersten Blick scheint dieser Vorgang einfach zu sein. Durch den Kontakt und die Reibung zwischen den Schuhsohlen und dem Boden kommt es bei jedem Schritt zu einer Ladungstrennung. Diese Ladung lässt die Spannung der menschlichen Körperkapazität ansteigen, bis der unvermeidliche Leckstrom den Ladestrom ausgleicht.
Aber die Ladungstrennung findet an der Grenzfläche zwischen Schuhsohle und Bodenbelag statt, und die Sohle ist isolierend. Wie kommt also die Ladung von der Unterseite der Sohle auf die Person?
Vielleicht gar nicht – vielleicht erreicht die Person tatsächlich keine Nettoladung. In diesem Fall sehen wir nur den Effekt der Induktion, die durch die Ladung an der Sohle verursacht wird. Allerdings könnte dieser Effekt die Spannung der Person auf ein beträchtliches Niveau anheben, wobei die Nettoladung gleich Null bleibt. Oder es gibt eine Leckage an den Rändern der Sohle, oder sogar eine Kombination dieser Prozesse.
Komischerweise hat sich niemand jemals wirklich mit diesem Problem beschäftigt. Und wenn man es Leuten stellt, die Vorträge zu diesem Thema halten, neigen sie dazu, zappelig zu werden.
Eine andere übliche Art, wie Menschen sich aufladen können, ist das Entfernen eines Kleidungsstücks. Wenn ein Pullover an einer Bluse reibt, werden zwar Ladungen getrennt, aber die Spannung der Person steigt nicht, da sich prinzipiell gleich große entgegengesetzte Ladungen auf der Person befinden. Wird aber der Pullover mit z. B. negativer Ladung entfernt, sorgt die positive Ladung der Bluse für eine positive Spannung.
Das kleine Zappen, das man beim Entfernen des Pullovers am Ohr spürt, ist übrigens kein Zeichen für eine Aufladung. Ganz im Gegenteil: Es handelt sich um eine Entladung (und zwar nicht um einen Funken, sondern um eine Büschelentladung). Das Herausrutschen aus einem Autositz erzeugt einen ähnlichen Aufladevorgang, und der leichte Schock, den Sie vielleicht spüren, wird durch Ihre Entladung auf das Auto (und in diesem Fall mit einem Funken) verursacht, nicht durch die Aufladung des Autos. Letzterer Prozess fand in den 1930er Jahren mit der Einführung von leitfähigem Gummi in Reifen ein Ende.
Wie statische Elektrizität auf den Menschen wirkt
Elektrische Schocks
Die bekannteste Wirkung von statischer Elektrizität auf den Menschen, und nach Meinung vieler Wissenschaftler die einzige nachgewiesene Wirkung, ist der Schock durch eine Funkenentladung. Dieser tritt in der Regel auf, wenn eine aufgeladene Person einen geerdeten Gegenstand berührt oder mit einer anderen Person in Kontakt kommt, die auf einem anderen Potential liegt. Obwohl dieses Phänomen gut bekannt ist, gibt es keine genau definierten Bereiche dafür, ab welcher Körperspannung Entladungen spürbar werden.
Nur wenige Menschen bemerken jedoch Entladungen bei Spannungen unter etwa 1000 V. Die meisten Menschen beginnen, eine unangenehme Wirkung um 2000 V zu spüren. Bei Entladungen mit Spannungen über 3000 V beschwert sich fast jeder.
Wie hoch kann die Körperspannung sein, wenn man mit isolierenden Schuhen auf einem isolierenden Boden geht? Sicherlich sind unter bestimmten Bedingungen Spannungen im Bereich von 10-20 kV aufgetreten, aber der manchmal zitierte Maximalwert von etwa 35 kV ist meiner Meinung nach apokryph. Lange bevor eine solche Spannung erreicht wird, würden wahrscheinlich Koronaentladungen an Nase, Ohren und anderen Vorsprüngen auftreten.
Interessant ist, dass die Frage, ob die Entladung eines Leiters am menschlichen Körper wohltuende Wirkungen haben könnte, einst eine ernsthafte Frage war. Im 18. Jahrhundert war die Elektrotherapie weit verbreitet. Bei einer Anwendung wurden Kondensatoren, sogenannte Leydener Gläser, auf Spannungen im zweistelligen Kilovoltbereich aufgeladen und an gelähmten Gliedmaßen entladen. Das daraus resultierende Zucken wurde als Zeichen einer positiven Wirkung gedeutet.
In den meisten Fällen wurden die Auswirkungen statischer Elektrizität auf den Menschen jedoch als schädlich oder zumindest unerwünscht angesehen. Im Zeitalter des Sick-Building-Syndroms war es fast unvermeidlich, dass einige der vielen unspezifischen Auswirkungen eines unvollkommenen Raumklimas auf das exotische Phänomen der statischen Elektrizität zurückgeführt wurden. Statische Aufladung wurde manchmal als Ursache für Kopfschmerzen, trockene Schleimhäute, juckende Haut und andere ähnliche Beschwerden vermutet. Selten wurde in solchen Fällen ein möglicher Mechanismus oder eine Erklärung vorgeschlagen, die auf gut dokumentierten Studien beruhte.
Aufladung
Es gibt jedoch einen physikalischen Effekt der statischen Elektrizität, der mit einiger Wahrscheinlichkeit physiologische oder hygienische Probleme verursacht: die Wirkung eines elektrischen Feldes um eine Person auf Schwebeteilchen.
Wenn eine Person positiv geladen ist, zieht sie negativ geladene Teilchen aus der Luft an. Oder, wie ein Physiker es ausdrücken würde, das Feld um den Körper wird die Abscheidung von negativ geladenen Teilchen auf der Kleidung und der ungeschützten Haut verstärken. Aber neutrale Teilchen werden auch angezogen werden, weil sie polarisiert werden, und weil die Felder, im Allgemeinen, wird immer inhomogen sein. Das Feld um eine Person herum kann, wie oben erläutert, von Ladungen stammen, die durch das Gehen auf einem isolierten Bodenbelag getrennt werden. Es kann aber auch durch die Nähe zu einem Fernseher oder Computermonitor verursacht werden.
Interessanterweise bewegt sich das Feld in Richtung des Bildschirms, wenn sich niemand in der Nähe eines Fernsehers oder Computerbildschirms befindet. Folglich werden sich dort Partikel ablagern, was zu Verschmutzungen führt. Wenn sich jedoch eine Person in der Nähe des Bildschirms befindet, konvergiert das Feld auch auf das Gesicht dieser Person, insbesondere um Vorsprünge wie die Nase und die Ohren.
Viele wissenschaftliche Projekte haben gezeigt, dass elektrische Felder um eine Person herum die Ablagerungsrate von Partikeln in der Luft drastisch erhöhen. Es wurde vermutet, dass, wenn solche Partikel allergener Natur sind, der Plateout zu einem erhöhten Auftreten von Hautreizungen oder Krankheiten führen könnte. Ein solcher Zusammenhang konnte jedoch nicht nachgewiesen werden.
Sind Ionen gut für Sie?
Ein etwas ähnlicher Prozess ist die Wirkung eines elektrischen Feldes um eine Person auf atmosphärische Ionen (für eine Definition und Beschreibung der physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Ionen siehe meine Kolumne in der Mai/Juni 1999 Ausgabe von Compliance Engineering, Seite 24).
Es wurde oft behauptet, dass ein Überschuss oder ein Defizit einer der Polaritäten von Ionen in der eingeatmeten Luft eine direkte Wirkung auf den Menschen hat. Vor Jahrzehnten lautete eine solche Behauptung, dass ein Überschuss an negativen Ionen die Schwingungsfrequenz der Flimmerhärchen in den Atemwegen erhöhen und dadurch die Reinigungsleistung der Flimmerhärchen im oberen Atemwegsbereich verbessern würde. Diese Theorie wurde anscheinend durch experimentelle Ergebnisse in den 1940er und 1950er Jahren gestützt und wurde weithin zitiert. Um 1970 wurde sie jedoch ad acta gelegt – oder hätte zumindest ad acta gelegt werden sollen -, weil neue Untersuchungen mit moderneren Messgeräten eindeutig zeigten, dass es einen solchen Effekt nicht gibt. Trotzdem findet man die Ionen-Zilien-Beziehung immer noch in medizinischen und quasi-medizinischen Publikationen.
Eine noch populärere Behauptung ist, dass ein Überschuss an negativen Ionen die Luft frisch und sauber fühlen lässt, während ein Überschuss an positiven Ionen die Luft stickig macht. Da diese Art von vager Wirkung äußerst schwer zu beweisen oder zu widerlegen ist, genügt die Feststellung, dass die stickige Luft unter einer Gewitterwolke einen Überschuss an negativen Ionen aufweist, während die frische Luft auf einem Berggipfel reich an positiven Ionen ist. Es scheint also mehr zur Luftqualität zu gehören als das Ionengleichgewicht.
Aber nehmen wir doch einmal an, dass die relative Konzentration von positiven und negativen Ionen in der Atemluft einen Einfluss auf unsere Gesundheit hat. Dann ist klar, dass eine Person, die von einem elektrischen Feld umgeben ist (weil sie geladen ist), weniger Ionen einatmet als eine ungeladene Person. Wenn diese Person positiv geladen ist, wird sie positive Ionen abstoßen. Der Körper wird zwar negative Ionen anziehen, aber die Ionen werden zur Haut abgelenkt und damit aus der eingeatmeten Luft entfernt. Und selbst wenn die Person nicht aufgeladen ist, werden die meisten Ionen in der eingeatmeten Luft wahrscheinlich in den Atemwegen ausplattiert, bevor sie überhaupt die Bronchien erreichen.
Die ganze Frage über das Schicksal der Ionen in der Atemluft bedarf noch einer Menge experimenteller Arbeit. Es wurde argumentiert, dass, da ein negatives Ion wahrscheinlich ein Sauerstoffmolekül enthält, das Einatmen negativer Ionen eine gute Sache sein muss. Abgesehen von dem, was ich über die Ablagerung auf der Haut und im oberen Teil der Atemwege angemerkt habe, sollte darauf hingewiesen werden, dass es selbst bei den höchstmöglichen Ionenkonzentrationen Billionen von ungeladenen Sauerstoffmolekülen für jedes negative Ion gibt.
In den letzten fünf bis sechs Jahren gab es (zumindest in Europa) viele Berichte über die angeblichen Vorteile, die es mit sich bringt, die Haut einer Person, die unter rheumatischen oder anderen Beschwerden leidet, einem hoch ionisierten Luftstrom mit Ionen nur einer Polarität auszusetzen.
Damit die so behandelte Person nicht aufgeladen wird, muss sie an die Erde angeschlossen werden. Der Ionenstrom verursacht dann einen Strom vom Auftreffpunkt zum Erdanschluss. Einigen Berichten zufolge ist die Wirkung der Behandlung stark davon abhängig, an welcher Stelle des Körpers der Erdungsanschluss platziert wird. Natürlich kann man auch einfach durch das Anbringen von zwei oder mehr Elektroden einen Strom durch den Körper erzeugen, aber das schränkt den Weg des Stroms bis zu einem gewissen Grad ein.
Wenn die ionisierte Luft eine Wirkung hat, kann es daran liegen, dass der Strom von einer größeren Fläche ausgeht und somit eine größere Chance hat, den Weg mit der größten Wirkung zu finden. Das hängt auch von der Platzierung der Gegenelektrode oder der Masseverbindung ab.
Bitte beachten Sie, dass ich gesagt habe, ob die ionisierte Luft einen Effekt hat.
Die Ergebnisse, von denen ich immer wieder höre, stammen nicht aus regulären wissenschaftlichen Untersuchungen mit Doppelblindtests und all dem Kram. Aber sie kommen immer wieder, und ich möchte nicht völlig ausschließen, dass sie real sind.
Ich begann etwa 1958 mit Ionen zu arbeiten, um einige sensationelle Behauptungen eines nationalen Ionen-Gurus in Dänemark über die Auswirkungen und das Verhalten von Ionen in der Raumluft zu untersuchen. Ich wurde fast gekreuzigt, weil ich eine wissenschaftliche Dokumentation für die Behauptungen verlangte (z.B. dass die Luft in einem Raum mit einem Vinylboden eine schlechte Ionenbilanz hatte). Mein obiger Kommentar über die mögliche Wirkung von ionisierter Luft auf die Haut bedeutet nicht, dass ich im Laufe der Jahre milder geworden bin und in meinen Forderungen nach Dokumentation nachgegeben habe. Eher im Gegenteil. Ich spiele immer noch gerne die Rolle des heiligen Thomas des Zweiflers.
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Niels Jonassen, MSc, DSc, arbeitete 40 Jahre lang an der Technischen Universität von Dänemark, wo er Vorlesungen über Elektromagnetismus, statische und atmosphärische Elektrizität, Radioaktivität in der Luft und Raumklima hielt. Nach seiner Pensionierung teilte er seine Zeit zwischen dem Labor, seinem Haus und Thailand auf, schrieb über Themen der statischen Elektrizität und gab Kochkurse. Herr Jonassen verstarb im Jahr 2006. |