Alle Materialien unterscheiden sich in dem Grad, in dem elektrische Ladungen sie passieren können. Dirigenten Ladungen fließen lassen, während Isolatoren Ladungsverkehr behindern. Elektrostatik ist das Gebiet, das der Untersuchung von Ladungen oder geladenen Körpern in Ruhe gewidmet ist. Statische Elektrizität entsteht, wenn sich an Gegenständen elektrische Ladungen aufbauen, die sich nicht bewegen. Fließen die Ladungen, entsteht ein Strom und der Strom ist nicht mehr statisch. Der Strom, der durch bewegte Ladungen entsteht, wird von Laien allgemein als Elektrizität bezeichnet und in den anderen Artikeln dieses Kapitels behandelt. Statische Elektrifizierung bezeichnet jeden Prozess, der zur Trennung positiver und negativer elektrischer Ladungen führt. Die Leitung wird mit einer Eigenschaft namens gemessen Leitfähigkeit, während ein Isolator durch seine gekennzeichnet ist Widerstand. Als Folge mechanischer Prozesse kann es zu einer Ladungstrennung kommen, die zur Elektrifizierung führt – beispielsweise durch Kontakt zwischen Gegenständen und Reibung oder durch den Zusammenstoß zweier Oberflächen. Die Oberflächen können zwei Festkörper oder ein Festkörper und eine Flüssigkeit sein. Der mechanische Prozess kann seltener das Aufbrechen oder Trennen von festen oder flüssigen Oberflächen sein. Dieser Artikel konzentriert sich auf Kontakt und Reibung.

Elektrifizierungsprozesse

Das Phänomen der Erzeugung statischer Elektrizität durch Reibung (Triboelektrifizierung) ist seit Tausenden von Jahren bekannt. Der Kontakt zwischen zwei Materialien reicht aus, um eine Elektrifizierung zu induzieren. Reibung ist einfach eine Art Wechselwirkung, die die Kontaktfläche vergrößert und Wärme erzeugt –Reibung ist der allgemeine Begriff, um die Bewegung zweier Objekte in Kontakt zu beschreiben; der ausgeübte Druck, seine Schergeschwindigkeit und die erzeugte Wärme sind die Hauptdeterminanten der durch Reibung erzeugten Ladung. Manchmal führt Reibung auch zum Abreißen fester Partikel.

Wenn die beiden in Kontakt stehenden Festkörper Metalle sind (Metall-Metall-Kontakt), wandern Elektronen von einem zum anderen. Jedes Metall ist durch ein anderes Anfangspotential (Fermipotential) gekennzeichnet, und die Natur bewegt sich immer in Richtung Gleichgewicht – das heißt, natürliche Phänomene arbeiten daran, die Potentialunterschiede zu beseitigen. Diese Wanderung von Elektronen führt zur Erzeugung eines Kontaktpotentials. Da die Ladungen in einem Metall sehr mobil sind (Metalle sind hervorragende Leiter), rekombinieren die Ladungen sogar am letzten Kontaktpunkt, bevor die beiden Metalle getrennt werden. Es ist daher unmöglich, eine Elektrifizierung herbeizuführen, indem zwei Metalle zusammengebracht und dann getrennt werden; Die Ladungen fließen immer, um die Potentialdifferenz zu beseitigen.

Wenn eine Metall und ein Isolator im Vakuum in nahezu reibungsfreien Kontakt kommen, nähert sich das Energieniveau der Elektronen im Metall dem des Isolators an. Oberflächen- oder Massenverunreinigungen verursachen dies und verhindern außerdem eine Lichtbogenbildung (die Entladung von Elektrizität zwischen den beiden geladenen Körpern – den Elektroden) bei der Trennung. Die auf den Isolator übertragene Ladung ist proportional zur Elektronenaffinität des Metalls, und jeder Isolator hat auch eine damit verbundene Elektronenaffinität oder Anziehungskraft für Elektronen. Somit ist auch eine Übertragung positiver oder negativer Ionen vom Isolator auf das Metall möglich. Die Ladung auf der Oberfläche nach Kontakt und Trennung wird durch Gleichung 1 in Tabelle 1 beschrieben.

Tabelle 1. Grundlegende Zusammenhänge in der Elektrostatik – Gleichungssammlung

Gleichung 1: Aufladung durch Kontakt eines Metalls mit einem Isolator

Im Allgemeinen ist die Oberflächenladungsdichte () nach Kontakt und Trennung 

kann ausgedrückt werden durch:

woher

e ist die Ladung eines Elektrons
N_E ist die Energiezustandsdichte an der Oberfläche des Isolators
f_i die Elektronenaffinität des Isolators ist, und
f_m ist die Elektronenaffinität des Metalls

Gleichung 2: Aufladung nach Kontakt zwischen zwei Isolatoren

Für den Ladungstransfer gilt die folgende allgemeine Form von Gleichung 1
zwischen zwei Isolatoren mit unterschiedlichen Energiezuständen (nur bei perfekt sauberen Oberflächen):

woher N_E1 und N_E2 sind die Energiezustandsdichten an der Oberfläche der beiden Isolatoren, 

und  ^Ø₁ und ^Ø ₂ sind die Elektronenaffinitäten der beiden Isolatoren.

Gleichung 3: Maximale Oberflächenladungsdichte

Die Spannungsfestigkeit (E_G) des umgebenden Gases setzt der Ladung eine obere Grenze
möglich, auf einer ebenen isolierenden Oberfläche zu erzeugen. In der Luft, E_G beträgt etwa 3 MV/m.
Die maximale Oberflächenladungsdichte ist gegeben durch:

Gleichung 4: Maximale Ladung auf einem kugelförmigen Teilchen

Wenn nominell kugelförmige Teilchen durch den Koronaeffekt aufgeladen werden, das Maximum
Die Ladung, die jedes Teilchen annehmen kann, ist durch die Pauthenier-Grenze gegeben:

woher

q_max ist die maximale Gebühr
a ist der Teilchenradius
e_I ist die relative Permittivität und

Gleichung 5: Entladungen von Leitern

Das Potential eines isolierten, geladenen Leiters Q ist gegeben durch V = Q/C und
die gespeicherte Energie durch:

Gleichung 6: Zeitverlauf des Potentials des geladenen Leiters

In einem von konstantem Strom aufgeladenen Leiter (I_G), der zeitliche Verlauf der
Potenzial wird beschrieben durch:

woher R_f ist der Ableitwiderstand des Leiters

Gleichung 7: Endpotential des geladenen Leiters

Für lange Zeit natürlich, t >R_f C, dies reduziert sich auf:

und die gespeicherte Energie ist gegeben durch:

Gleichung 8: Gespeicherte Energie des geladenen Leiters

Wenn sich zwei Isolatoren berühren, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Zustände ihrer Oberflächenenergie zu einem Ladungstransfer (Gleichung 2, Tabelle 1). Auf die Oberfläche eines Isolators übertragene Ladungen können tiefer in das Material wandern. Feuchtigkeit und Oberflächenverunreinigung können das Verhalten von Ladungen stark verändern. Insbesondere die Oberflächenfeuchtigkeit erhöht die Oberflächenenergiezustandsdichten durch Erhöhen der Oberflächenleitung, was die Ladungsrekombination begünstigt und die Ionenmobilität erleichtert. Die meisten Menschen werden dies aus ihrer täglichen Lebenserfahrung daran erkennen, dass sie bei trockenen Bedingungen dazu neigen, statischer Elektrizität ausgesetzt zu sein. Der Wassergehalt einiger Polymere (Kunststoffe) ändert sich während des Ladens. Die Zunahme oder Abnahme des Wassergehalts kann sogar die Richtung des Ladungsflusses (seine Polarität) umkehren.

Die Polarität (relative Positivität und Negativität) zweier Isolatoren in Kontakt miteinander hängt von der Elektronenaffinität jedes Materials ab. Isolatoren können nach ihrer Elektronenaffinität eingestuft werden, und einige veranschaulichende Werte sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Elektronenaffinität eines Isolators ist eine wichtige Überlegung für Präventionsprogramme, die später in diesem Artikel besprochen werden.

Tabelle 2. Elektronenaffinitäten ausgewählter Polymere*

* Ein Material erhält eine positive Ladung, wenn es mit einem darüber aufgeführten Material in Kontakt kommt, und eine negative Ladung, wenn es mit einem darunter aufgeführten Material in Kontakt kommt. Die Elektronenaffinität eines Isolators ist jedoch multifaktoriell.

Obwohl versucht wurde, eine triboelektrische Reihe zu erstellen, die Materialien so einordnet, dass diejenigen, die bei Kontakt mit Materialien eine positive Ladung annehmen, in der Reihe höher erscheinen als diejenigen, die bei Kontakt eine negative Ladung annehmen, wurde keine allgemein anerkannte Reihe erstellt.

Treffen ein Feststoff und eine Flüssigkeit aufeinander (um a Fest-Flüssig-Grenzfläche) erfolgt eine Ladungsübertragung aufgrund der Wanderung von Ionen, die in der Flüssigkeit vorhanden sind. Diese Ionen entstehen durch die Dissoziation von eventuell vorhandenen Verunreinigungen oder durch elektrochemische Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Da es in der Praxis keine vollkommen reinen Flüssigkeiten gibt, sind immer mindestens einige positive und negative Ionen in der Flüssigkeit verfügbar, um an die Flüssig-Fest-Grenzfläche zu binden. Es gibt viele Arten von Mechanismen, durch die diese Bindung erfolgen kann (z. B. elektrostatische Haftung an Metalloberflächen, chemische Absorption, elektrolytische Injektion, Dissoziation polarer Gruppen und, wenn die Gefäßwand isolierend ist, Flüssig-Fest-Reaktionen).

Da Substanzen, die sich auflösen (dissoziieren), zunächst elektrisch neutral sind, erzeugen sie gleich viele positive und negative Ladungen. Elektrifizierung findet nur statt, wenn entweder die positiven oder die negativen Ladungen bevorzugt an der Oberfläche des Festkörpers haften. Dabei entsteht eine sehr kompakte Schicht, die sogenannte Helmholtz-Schicht. Da die Helmholtz-Schicht geladen ist, zieht sie Ionen mit entgegengesetzter Polarität an. Diese Ionen sammeln sich zu einer diffuseren Schicht, der sogenannten Gouy-Schicht, die auf der Oberfläche der kompakten Helmholtz-Schicht ruht. Die Dicke der Gouy-Schicht nimmt mit dem spezifischen Widerstand der Flüssigkeit zu. Leitende Flüssigkeiten bilden sehr dünne Gouy-Schichten.

Diese Doppelschicht trennt sich, wenn die Flüssigkeit fließt, wobei die Helmholtz-Schicht an der Grenzfläche gebunden bleibt und die Gouy-Schicht von der fließenden Flüssigkeit mitgerissen wird. Die Bewegung dieser geladenen Schichten erzeugt eine Potentialdifferenz (die zeta Potenzial), und der durch die sich bewegenden Ladungen induzierte Strom wird als bezeichnet Strom streamen. Die Ladungsmenge, die sich in der Flüssigkeit ansammelt, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Ionen zur Grenzfläche diffundieren, und vom spezifischen Widerstand der Flüssigkeit (R). Der Strömungsstrom ist jedoch über die Zeit konstant.

Weder stark isolierende noch leitende Flüssigkeiten werden aufgeladen – erstens, weil sehr wenige Ionen vorhanden sind, und zweitens, weil in Flüssigkeiten, die Elektrizität sehr gut leiten, die Ionen sehr schnell rekombinieren. In der Praxis tritt Elektrifizierung nur in Flüssigkeiten mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 10 auf⁷Ωm oder weniger als 10¹¹Ωm, mit den höchsten beobachteten Werten für r 10⁹ zu 10¹¹ Ohm.

Fließende Flüssigkeiten induzieren eine Ladungsakkumulation in isolierenden Oberflächen, über die sie fließen. Das Ausmaß, in dem sich die Oberflächenladungsdichte aufbaut, ist begrenzt durch (1) wie schnell die Ionen in der Flüssigkeit an der Flüssig-Feststoff-Grenzfläche rekombinieren, (2) wie schnell die Ionen in der Flüssigkeit durch den Isolator geleitet werden oder ( 3) ob Oberflächen- oder Massenlichtbogen durch den Isolator auftritt und die Ladung somit entladen wird. Turbulente Strömung und Strömung über raue Oberflächen begünstigen die Elektrifizierung.

Wenn eine Hochspannung – beispielsweise mehrere Kilovolt – an einen geladenen Körper (eine Elektrode) mit kleinem Radius (z. B. einen Draht) angelegt wird, ist das elektrische Feld in unmittelbarer Nähe des geladenen Körpers hoch, nimmt jedoch schnell ab Distanz. Kommt es zu einer Entladung der gespeicherten Ladungen, beschränkt sich die Entladung auf den Bereich, in dem das elektrische Feld stärker ist als die Durchschlagsfestigkeit der umgebenden Atmosphäre, ein Phänomen, das als Koronaeffekt bekannt ist, da der Lichtbogen ebenfalls Licht emittiert. (Menschen haben vielleicht tatsächlich gesehen, wie sich kleine Funken gebildet haben, als sie persönlich einen Schock durch statische Elektrizität erlebt haben.)

Die Ladungsdichte auf einer isolierenden Oberfläche kann auch durch die Bewegung von Elektronen verändert werden, die durch ein hochintensives elektrisches Feld erzeugt werden. Diese Elektronen erzeugen Ionen aus allen Gasmolekülen in der Atmosphäre, mit denen sie in Kontakt kommen. Wenn die elektrische Ladung des Körpers positiv ist, stößt der geladene Körper alle erzeugten positiven Ionen ab. Elektronen, die von negativ geladenen Objekten erzeugt werden, verlieren Energie, wenn sie sich von der Elektrode entfernen, und sie lagern sich an Gasmoleküle in der Atmosphäre an und bilden so negative Ionen, die sich weiterhin von den Ladungspunkten entfernen. Diese positiven und negativen Ionen können auf jeder isolierenden Oberfläche zur Ruhe kommen und verändern die Ladungsdichte der Oberfläche. Diese Art der Aufladung ist viel einfacher zu kontrollieren und gleichmäßiger als die durch Reibung erzeugten Aufladungen. Der Höhe der auf diese Weise erzielbaren Gebühren sind Grenzen gesetzt. Die Grenze wird mathematisch in Gleichung 3 in Tabelle 1 beschrieben.

Um höhere Ladungen zu erzeugen, muss die Spannungsfestigkeit der Umgebung erhöht werden, entweder durch Erzeugen eines Vakuums oder durch Metallisieren der anderen Oberfläche des Isolierfilms. Die letztere Strategie zieht das elektrische Feld in den Isolator und reduziert folglich die Feldstärke im umgebenden Gas.

Bei einem Leiter in einem elektrischen Feld (E) geerdet ist (siehe Bild 1), können Ladungen durch Induktion erzeugt werden. Unter diesen Bedingungen induziert das elektrische Feld eine Polarisation – die Trennung der Schwerpunkte der negativen und positiven Ionen des Leiters. Ein Leiter, der vorübergehend nur an einem Punkt geerdet ist, trägt eine Nettoladung, wenn er von der Erde getrennt wird, aufgrund der Wanderung von Ladungen in der Nähe des Punktes. Dies erklärt, warum leitende Teilchen, die sich in einem gleichförmigen Feld befinden, zwischen Elektroden oszillieren und sich bei jedem Kontakt aufladen und entladen.

Abbildung 1. Mechanismus zum Aufladen eines Leiters durch Induktion

Gefahren im Zusammenhang mit statischer Elektrizität

Die negativen Auswirkungen, die durch die Ansammlung statischer Elektrizität verursacht werden, reichen von dem Unbehagen, das man beim Berühren eines aufgeladenen Objekts, wie z. B. eines Türgriffs, erfährt, bis hin zu sehr schweren Verletzungen, sogar Todesfällen, die durch eine durch statische Elektrizität induzierte Explosion auftreten können. Die physiologische Wirkung elektrostatischer Entladungen auf den Menschen reicht von unangenehmem Kribbeln bis hin zu heftigen Reflexaktionen. Diese Effekte werden durch den Entladungsstrom und insbesondere durch die Stromdichte auf der Haut erzeugt.

In diesem Artikel beschreiben wir einige praktische Möglichkeiten, wie Oberflächen und Gegenstände aufgeladen werden können (Elektrifizierung). Wenn das induzierte elektrische Feld die Fähigkeit der Umgebung übersteigt, der Ladung zu widerstehen (d. h. die Durchschlagsfestigkeit der Umgebung übersteigt), tritt eine Entladung auf. (In Luft wird die Durchschlagsfestigkeit durch die Paschen-Kurve beschrieben und ist eine Funktion des Produkts aus Druck und Abstand zwischen den geladenen Körpern.)

Durchschläge können folgende Formen annehmen:

• Funken oder Lichtbögen, die zwei geladene Körper überbrücken (zwei Metallelektroden)

• Teil- oder Büschelentladungen, die eine Metallelektrode und einen Isolator oder sogar zwei Isolatoren überbrücken; diese Entladungen werden partiell genannt, weil der leitende Pfad zwei Metallelektroden nicht vollständig kurzschließt, sondern normalerweise mehrfach und bürstenartig ist

• Koronaentladungen, auch Punkteffekte genannt, die im starken elektrischen Feld um geladene Körper oder Elektroden mit kleinem Radius entstehen.

Isolierte Leiter haben eine Nettokapazität C relativ zum Boden. Diese Beziehung zwischen Ladung und Potential wird in Gleichung 5 in Tabelle 1 ausgedrückt.

Eine Person, die isolierende Schuhe trägt, ist ein übliches Beispiel für einen isolierten Leiter. Der menschliche Körper ist ein elektrostatischer Leiter mit einer typischen Kapazität gegenüber Erde von ungefähr 150 pF und einem Potential von bis zu 30 kV. Da Menschen isolierende Leiter sein können, können sie elektrostatische Entladungen erfahren, wie z. B. das mehr oder weniger schmerzhafte Gefühl, das manchmal entsteht, wenn sich eine Hand einem Türgriff oder einem anderen Metallgegenstand nähert. Wenn das Potential ungefähr 2 kV erreicht, wird das Äquivalent einer Energie von 0.3 mJ erfahren, obwohl diese Schwelle von Person zu Person unterschiedlich ist. Stärkere Entladungen können zu unkontrollierbaren Bewegungen und damit zu Stürzen führen. Bei Arbeitern, die Werkzeuge verwenden, können die unwillkürlichen Reflexbewegungen zu Verletzungen des Opfers und anderer Personen führen, die möglicherweise in der Nähe arbeiten. Die Gleichungen 6 bis 8 in Tabelle 1 beschreiben den zeitlichen Verlauf des Potentials.

Eine tatsächliche Lichtbogenbildung tritt auf, wenn die Stärke des induzierten elektrischen Felds die Durchschlagsfestigkeit von Luft übersteigt. Aufgrund der schnellen Wanderung von Ladungen in Leitern fließen im Wesentlichen alle Ladungen zum Entladungspunkt, wodurch die gesamte gespeicherte Energie in einen Funken freigesetzt wird. Dies kann schwerwiegende Folgen haben, wenn mit brennbaren oder explosiven Stoffen oder unter brennbaren Bedingungen gearbeitet wird.

Die Annäherung einer geerdeten Elektrode an eine geladene isolierende Oberfläche modifiziert das elektrische Feld und induziert eine Ladung in der Elektrode. Wenn sich die Oberflächen einander nähern, nimmt die Feldstärke zu, was schließlich zu einer Teilentladung von der aufgeladenen isolierten Oberfläche führt. Da Ladungen auf isolierenden Oberflächen wenig beweglich sind, nimmt nur ein kleiner Teil der Oberfläche an der Entladung teil, und die bei dieser Art der Entladung freigesetzte Energie ist daher viel geringer als bei Lichtbögen.

Die Ladung und die übertragene Energie scheinen bis zu etwa 20 mm direkt proportional zum Durchmesser der Metallelektrode zu sein. Die anfängliche Polarität des Isolators beeinflusst auch Ladung und übertragene Energie. Teilentladungen von positiv geladenen Oberflächen sind energieärmer als solche von negativ geladenen. Es ist unmöglich festzustellen, a priori, die Energie, die durch eine Entladung von einer isolierenden Oberfläche übertragen wird, im Gegensatz zu der Situation mit leitenden Oberflächen. Da die isolierende Oberfläche nicht äquipotential ist, ist es nicht einmal möglich, die beteiligten Kapazitäten zu definieren.

Schleichende Entladung

Wir haben in Gleichung 3 (Tabelle 1) gesehen, dass die Oberflächenladungsdichte einer isolierenden Oberfläche in Luft 2,660 pC/cm nicht überschreiten kann².

Betrachten wir eine isolierende Platte oder einen dicken Film a, die auf einer Metallelektrode ruhen oder eine Metallfläche haben, lässt sich leicht zeigen, dass das elektrische Feld durch die induzierte Ladung auf der Elektrode in den Isolator gezogen wird, wenn Ladungen auf der nichtmetallischen Fläche abgeschieden werden. Infolgedessen ist das elektrische Feld in der Luft sehr schwach und niedriger als es wäre, wenn eine der Flächen nicht aus Metall wäre. In diesem Fall begrenzt die Durchschlagsfestigkeit von Luft die Ladungsakkumulation auf der isolierenden Oberfläche nicht, und es können sehr hohe Oberflächenladungsdichten (>2,660 pC/cm²). Diese Ladungsakkumulation erhöht die Oberflächenleitfähigkeit des Isolators.

Nähert sich eine Elektrode einer isolierenden Oberfläche, so kommt es zu einer Kriechentladung, die einen großen Teil der leitend gewordenen geladenen Oberfläche einbezieht. Aufgrund der großen beteiligten Oberflächen setzt diese Art der Entladung große Energiemengen frei. Bei Folien ist das Luftfeld sehr schwach und der Abstand zwischen Elektrode und Folie darf nicht größer sein als die Foliendicke, damit eine Entladung auftritt. Eine gleitende Entladung kann auch auftreten, wenn ein geladener Isolator von seiner metallischen Unterschicht getrennt wird. Unter diesen Umständen steigt das Luftfeld abrupt an und die gesamte Oberfläche des Isolators entlädt sich, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Elektrostatische Entladungen und Brand- und Explosionsgefahren

In explosionsgefährdeten Bereichen können heftige exotherme Oxidationsreaktionen mit Energieübertragung an die Atmosphäre ausgelöst werden durch:

• offene Flammen

• elektrische Funken

• Hochfrequenzfunken in der Nähe einer starken Funkquelle

• Funken, die durch Kollisionen entstehen (z. B. zwischen Metall und Beton)

• elektrostatische Entladungen.

Uns interessiert hier nur der letzte Fall. Die Flammpunkte (die Temperatur, bei der sich Flüssigkeitsdämpfe bei Kontakt mit einer offenen Flamme entzünden) verschiedener Flüssigkeiten und die Selbstentzündungstemperatur verschiedener Dämpfe sind im Chemischen Teil dieses Dokuments angegeben Enzyklopädie. Die mit elektrostatischen Entladungen verbundene Brandgefahr kann anhand der unteren Zündgrenze von Gasen, Dämpfen und festen oder flüssigen Aerosolen beurteilt werden. Diese Grenze kann erheblich variieren, wie Tabelle 3 zeigt.

Tabelle 3. Typische untere Entflammbarkeitsgrenzen

Ein Gemisch aus Luft und einem brennbaren Gas oder Dampf kann nur explodieren, wenn die Konzentration des brennbaren Stoffes zwischen seiner oberen und unteren Explosionsgrenze liegt. Innerhalb dieses Bereichs ist die minimale Zündenergie (MIE) – die Energie, die eine elektrostatische Entladung besitzen muss, um das Gemisch zu zünden – stark konzentrationsabhängig. Es hat sich durchgängig gezeigt, dass die minimale Zündenergie von der Geschwindigkeit der Energiefreisetzung und damit von der Entladungsdauer abhängt. Elektrodenradius ist auch ein Faktor:

• Elektroden mit kleinem Durchmesser (in der Größenordnung von mehreren Millimetern) führen eher zu Koronaentladungen als zu Funken.

• Bei Elektroden mit größerem Durchmesser (in der Größenordnung von mehreren Zentimetern) dient die Elektrodenmasse zur Kühlung der Funken.

Im Allgemeinen werden die niedrigsten MIEs mit Elektroden erhalten, die gerade groß genug sind, um Koronaentladungen zu verhindern.

Der MIE hängt auch vom Abstand zwischen den Elektroden ab und ist am niedrigsten beim Löschabstand („Abstand de Pincement“), dem Abstand, bei dem die in der Reaktionszone erzeugte Energie die Wärmeverluste an den Elektroden übersteigt. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass jeder brennbare Stoff einen maximalen Sicherheitsabstand hat, der dem minimalen Elektrodenabstand entspricht, bei dem eine Explosion auftreten kann. Bei Kohlenwasserstoffen beträgt diese weniger als 1 mm.

Die Wahrscheinlichkeit von Pulverexplosionen ist konzentrationsabhängig, wobei die höchste Wahrscheinlichkeit mit Konzentrationen in der Größenordnung von 200 bis 500 g/m verbunden ist³. Der MIE ist auch von der Partikelgröße abhängig, wobei feinere Pulver leichter explodieren. Sowohl für Gase als auch für Aerosole nimmt die MIE mit der Temperatur ab.

Industrielle Beispiele

Viele Prozesse, die routinemäßig zum Handhaben und Transportieren von Chemikalien verwendet werden, erzeugen elektrostatische Aufladungen. Diese beinhalten:

• Pulver aus Säcken gießen

• regelmäßigen Abständen

• Transport in Rohrleitungen

• Flüssigkeitsbewegung, insbesondere in Gegenwart von mehreren Phasen, suspendierten Feststoffen oder Tröpfchen von nicht mischbaren Flüssigkeiten

• Sprühen oder Vernebeln von Flüssigkeiten.

Die Folgen der Erzeugung elektrostatischer Aufladung umfassen mechanische Probleme, eine Gefahr durch elektrostatische Entladung für das Bedienpersonal und, wenn Produkte verwendet werden, die brennbare Lösungsmittel oder Dämpfe enthalten, sogar eine Explosion (siehe Tabelle 4).

Tabelle 4. Spezifische Abgaben im Zusammenhang mit ausgewählten Industriebetrieben

Flüssige Kohlenwasserstoffe wie Öl, Kerosin und viele gängige Lösungsmittel haben zwei Eigenschaften, die sie besonders anfällig für Probleme mit statischer Elektrizität machen:

• hoher spezifischer Widerstand, der es ihnen ermöglicht, hohe Ladungsniveaus zu akkumulieren

• brennbare Dämpfe, die das Risiko von energiearmen Entladungen erhöhen, die Brände und Explosionen auslösen.

Ladungen können während des Transportflusses (z. B. durch Rohrleitungen, Pumpen oder Ventile) erzeugt werden. Beim Durchgang durch Feinfilter, wie sie beispielsweise beim Befüllen von Flugzeugtanks verwendet werden, können Ladungsdichten von mehreren hundert Mikrocoulomb pro Kubikmeter entstehen. Partikelsedimentation und die Erzeugung von aufgeladenen Nebeln oder Schäumen während der Durchflussbefüllung von Tanks können ebenfalls Aufladungen erzeugen.

Zwischen 1953 und 1971 war statische Elektrizität für 35 Brände und Explosionen während oder nach dem Befüllen von Kerosintanks verantwortlich, und noch mehr Unfälle ereigneten sich beim Befüllen von LKW-Tanks. Das Vorhandensein von Filtern oder Spritzer während des Befüllens (aufgrund der Bildung von Schaum oder Nebel) waren die am häufigsten identifizierten Risikofaktoren. Auch an Bord von Öltankern ist es zu Unfällen gekommen, insbesondere bei der Tankreinigung.

Prinzipien der Vermeidung statischer Elektrizität

Alle Probleme im Zusammenhang mit statischer Elektrizität ergeben sich aus:

• Erzeugung elektrischer Ladungen

• Akkumulation dieser Ladungen auf Isolatoren oder isolierten Leitern

• von diesen Ladungen erzeugtes elektrisches Feld, das wiederum zu einer Krafteinwirkung oder einem Durchschlag führt.

Vorbeugende Maßnahmen zielen darauf ab, die Akkumulation elektrostatischer Aufladungen zu vermeiden, und die Strategie der Wahl besteht darin, die Erzeugung der elektrischen Aufladungen von vornherein zu vermeiden. Ist dies nicht möglich, sollten Maßnahmen zur Erdung der Ladungen getroffen werden. Schließlich sollten bei unvermeidbaren Entladungen empfindliche Objekte vor den Auswirkungen der Entladungen geschützt werden.

Unterdrückung oder Reduzierung der elektrostatischen Aufladungserzeugung

Dies ist der erste Ansatz zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung, der ergriffen werden sollte, da dies die einzige vorbeugende Maßnahme ist, die das Problem an seiner Quelle beseitigt. Wie bereits erwähnt, werden jedoch immer dann Ladungen erzeugt, wenn zwei Materialien, von denen mindestens eines isolierend ist, in Kontakt kommen und anschließend getrennt werden. In der Praxis kann es sogar bei Kontakt und Trennung eines Materials mit sich selbst zu einer Ladungserzeugung kommen. Tatsächlich betrifft die Ladungserzeugung die Oberflächenschichten von Materialien. Da der kleinste Unterschied in der Oberflächenfeuchtigkeit oder Oberflächenverunreinigung zur Erzeugung statischer Aufladungen führt, ist es unmöglich, die Aufladungserzeugung vollständig zu vermeiden.

So reduzieren Sie die Ladungsmenge, die durch Kontaktflächen erzeugt wird:

• Vermeiden Sie, dass Materialien miteinander in Kontakt kommen, wenn sie sehr unterschiedliche Elektronenaffinitäten haben, also in der triboelektrischen Reihe sehr weit voneinander entfernt sind. Vermeiden Sie beispielsweise den Kontakt zwischen Glas und Teflon (PTFE) oder zwischen PVC und Polyamid (Nylon) (siehe Tabelle 2).

• Reduzieren Sie die Fließgeschwindigkeit zwischen den Materialien. Dies verringert die Schergeschwindigkeit zwischen festen Materialien. Beispielsweise kann man die Fließgeschwindigkeit bei der Extrusion von Kunststofffolien, der Bewegung von zerkleinerten Materialien auf einem Förderband oder von Flüssigkeiten in einer Rohrleitung reduzieren.

Es wurden keine endgültigen Sicherheitsgrenzen für Durchflussraten festgelegt. Der britische Standard BS-5958-Teil 2  Verhaltenskodex zur Kontrolle unerwünschter statischer Elektrizität empfiehlt, dass das Produkt aus Geschwindigkeit (in Metern pro Sekunde) und Rohrdurchmesser (in Metern) für Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von weniger als 0.38 pS/m (in Pikosiemens pro Meter) weniger als 5 und für Flüssigkeiten weniger als 0.5 beträgt mit Leitfähigkeiten über 5 pS/m. Dieses Kriterium gilt nur für einphasige Flüssigkeiten, die mit Geschwindigkeiten von nicht mehr als 7 m/s transportiert werden.

Es sollte angemerkt werden, dass die Verringerung der Scher- oder Strömungsgeschwindigkeit nicht nur die Ladungserzeugung verringert, sondern auch dazu beiträgt, alle erzeugten Ladungen abzuleiten. Dies liegt daran, dass niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten zu längeren Verweilzeiten führen als in Entspannungszonen, in denen die Strömungsgeschwindigkeiten durch Strategien wie die Erhöhung des Rohrdurchmessers reduziert werden. Dies wiederum erhöht die Erdung.

Erdung statischer Elektrizität

Die Grundregel des Schutzes vor elektrostatischer Aufladung besteht darin, die Potentialunterschiede zwischen Objekten zu beseitigen. Dies kann durch Verbinden oder Erden erfolgen. Isolierte Leiter können jedoch Ladungen ansammeln und somit durch Induktion aufgeladen werden, ein Phänomen, das für sie einzigartig ist. Entladungen von Leitern können die Form von hochenergetischen – und gefährlichen – Funken annehmen.

Diese Regel steht im Einklang mit den Empfehlungen zur Vermeidung von Stromschlägen, die auch die Erdung aller zugänglichen Metallteile elektrischer Geräte gemäß der französischen Norm vorschreiben Elektrische Niederspannungsinstallationen (NFC 15-100). Für maximale elektrostatische Sicherheit, unser Anliegen hier, sollte diese Regel auf alle leitenden Elemente verallgemeinert werden. Dazu gehören Tischgestelle aus Metall, Türgriffe, elektronische Bauteile, Tanks für die chemische Industrie und Fahrgestelle von Fahrzeugen für den Transport von Kohlenwasserstoffen.

Aus Sicht der elektrostatischen Sicherheit wäre die ideale Welt eine Welt, in der alles leitend und dauerhaft geerdet wäre, wodurch alle Ladungen in die Erde abgeleitet würden. Unter diesen Umständen wäre alles dauerhaft äquipotential, und das elektrische Feld – und das Entladungsrisiko – wäre folglich Null. Aus folgenden Gründen ist es jedoch fast nie möglich, dieses Ideal zu erreichen:

• Nicht alle zu handhabenden Produkte sind leitfähig und viele können nicht durch Zusatzstoffe leitfähig gemacht werden. Beispiele hierfür sind landwirtschaftliche und pharmazeutische Produkte sowie hochreine Flüssigkeiten.

• Wünschenswerte Eigenschaften des Endprodukts, wie optische Transparenz oder geringe Wärmeleitfähigkeit, können die Verwendung leitfähiger Materialien ausschließen.

• Es ist unmöglich, mobile Geräte wie Metallkarren, kabellose elektronische Werkzeuge, Fahrzeuge und sogar menschliche Bediener dauerhaft zu erden.

Schutz vor elektrostatischen Entladungen

Es ist zu beachten, dass es in diesem Abschnitt nur um den Schutz elektrostatisch gefährdeter Betriebsmittel vor unvermeidbaren Entladungen, die Reduzierung der Aufladung und die Beseitigung von Aufladungen geht. Die Fähigkeit, Geräte zu schützen, beseitigt nicht die grundlegende Notwendigkeit, elektrostatische Aufladungen von vornherein zu verhindern.

Wie Abbildung 2 zeigt, betreffen alle elektrostatischen Probleme eine Quelle der elektrostatischen Entladung (das ursprünglich aufgeladene Objekt), ein Ziel, das die Entladung aufnimmt, und die Umgebung, durch die sich die Entladung ausbreitet (dielektrische Entladung). Es sollte beachtet werden, dass entweder das Ziel oder die Umgebung elektrostatisch empfindlich sein kann. Einige Beispiele für empfindliche Elemente sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des Problems der elektrostatischen Entladung

Tabelle 6. Beispiele für elektrostatisch empfindliche Geräte

Schutz der Arbeitnehmer

Arbeitnehmer, die Grund zu der Annahme haben, dass sie sich elektrisch aufgeladen haben (z. B. beim Aussteigen aus einem Fahrzeug bei trockenem Wetter oder beim Gehen mit bestimmten Arten von Schuhen), können eine Reihe von Schutzmaßnahmen ergreifen, z. B. die folgenden:

• Reduzieren Sie die Stromdichte auf Hautebene, indem Sie einen geerdeten Leiter mit einem Metallstück wie einem Schlüssel oder Werkzeug berühren.

• Reduzieren Sie den Scheitelwert des Stroms, indem Sie ihn an einem ableitenden Objekt entladen, falls vorhanden (eine Tischplatte oder eine spezielle Vorrichtung, z. B. ein Schutzarmband mit Serienwiderstand).

Schutz in explosionsgefährdeten Atmosphären

In explosionsgefährdeten Atmosphären ist die Umgebung selbst empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen, und Entladungen können zu einer Entzündung oder Explosion führen. Der Schutz besteht in diesen Fällen darin, die Luft entweder durch ein Gasgemisch zu ersetzen, dessen Sauerstoffgehalt unter der unteren Explosionsgrenze liegt, oder durch ein Inertgas wie Stickstoff. Inertgas wurde in Silos und in Reaktionsbehältern in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet. In diesem Fall sind angemessene Vorkehrungen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Arbeiter eine ausreichende Luftzufuhr erhalten.

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