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Schalllevitation zeigt, wie sich statische Ladung auf Teilchen aufbaut
Statische Elektrizität mit Obergrenze: Wenn zwei Kunststoffteilchen immer wieder zusammenstoßen, wächst ihre Ladung nicht unbegrenzt. Ein Experiment mit schwebenden Kügelchen zeigt, dass sich die Aufladung nach zunächst raschem Anstieg einem Sättigungswert annähert. Die Übertragung bei einzelnen Stößen bleibt jedoch zufällig, und der zugrunde liegende Mechanismus ist weiterhin ungeklärt.
Bristol (England). Ob in aufgewirbeltem Staub, in Vulkanasche oder in industriellen Pulvern: Beim Zusammenprall winziger Teilchen können sich deren Oberflächen elektrisch aufladen. Das geschieht sogar dann, wenn beide Körnchen aus demselben Material bestehen. Die sogenannte triboelektrische Aufladung ist alltäglich, doch ihr genauer Ablauf gibt der Physik weiterhin Rätsel auf.
Besonders schwierig ist es, die Elektrisierung in einer größeren Staubwolke nachzuvollziehen. Dort stoßen unzählige Partikel unter wechselnden Bedingungen zusammen, und die Ladung jedes einzelnen lässt sich kaum verfolgen. Offen war deshalb auch, ob die Ladung eines Teilchenpaares mit immer neuen Kollisionen stetig anwächst oder sich irgendwann einem Grenzwert nähert.
Forscher der University of Bristol um Tom F. O’Hara haben diesen Prozess nun an einem möglichst einfachen Modell untersucht: zwei gleichartige Kunststoffkügelchen, die wiederholt miteinander kollidieren. Mit dem Versuchsaufbau konnten sie verfolgen, wie sich die Ladung der einzelnen Teilchen über viele Stöße hinweg verändert.
Dazu verwendete das Team eine Anlage namens MultiLev. Fein abgestimmte Schallwellen halten darin zwei rund zwei Millimeter große Polystyrolkügelchen in der Luft und bewegen sie ohne feste Halterung. Durch eine Veränderung des Schallfeldes lassen sich die beiden Kugeln zusammenführen und anschließend wieder trennen.
Die Ladung registrierten die Forscher mit zwei speziell konstruierten Faraday-Käfigen. Diese Messbehälter bestehen aus einem Gitter, das Schallwellen passieren lässt. Nach jeder Kollision gelangte jedes Kügelchen in seinen eigenen Käfig, wo empfindliche Messgeräte die von seiner Ladung ausgelösten winzigen elektrischen Ströme erfassten. Dadurch entfielen unerwünschte Kontakte mit einer Unterlage.
Anfangs sah es so aus, als würden sich die Kügelchen mit jedem Kontakt annähernd gleichmäßig weiter aufladen. Über ungefähr 15 Kollisionen verlief der Anstieg noch nahezu linear. Bei längeren Versuchsreihen mit mehr als 45 Zusammenstößen verlangsamte sich der Zuwachs jedoch deutlich. Statt immer weiter anzusteigen, näherte sich die Ladung einem Sättigungswert.
Dieses Verhalten passt zu einem bereits vorgeschlagenen Kondensatormodell. Es beschreibt die Annäherung an eine Grenzladung ähnlich wie das Aufladen eines Kondensators. Die gemessenen Ladungsverläufe stimmten mit den Vorhersagen des Modells sehr gut überein. Die statistische Anpassung erreichte einen Bestimmtheitswert von R² über 0,99.
Das heißt allerdings nicht, dass jeder einzelne Stoß vorhersehbar wäre. Von Kollision zu Kollision schwankte die übertragene Ladungsmenge, teils sogar in der Richtung. Erst über viele Kontakte hinweg zeigte sich der regelmäßige Verlauf. Genau dieser Gegensatz macht den Befund besonders aufschlussreich.
„Der Gegensatz zwischen der Zufälligkeit einzelner Kollisionen und dem bemerkenswert vorhersagbaren Verhalten, das entsteht, wenn sich solche Zusammenstöße viele Male wiederholen“, erklärt Tom F. O’Hara.