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Apr 02, 2023

Reduzierung statischer Elektrizität

Associate Professor Neils Jonassen hat eine zweimonatliche statische Kolumne verfasst

Associate Professor Neils Jonassen ist Autor einer zweimonatlichen statischen Kolumne, die im Compliance Engineering Magazine erschien. Die Serie befasste sich mit Aufladung, Ionisierung, Explosionen und anderen ESD-bezogenen Themen. Die ESD Association veröffentlicht in Zusammenarbeit mit dem In Compliance Magazine diese Reihe erneut, da die Artikel zeitlose Einblicke in das Gebiet der Elektrostatik bieten.

Professor Jonassen war von 1983 bis 2006 Mitglied der ESD Association. Er erhielt 1989 den Outstanding Contribution Award der ESD Association und verfasste technische Aufsätze, Bücher und technische Berichte. Man erinnert sich an ihn für seine Beiträge zum Verständnis der elektrostatischen Kontrolle, und in seiner Erinnerung wiederholen wir „Mr. Static“.

~ Die ESD-Vereinigung

Nachdruck mit Genehmigung von: Compliance Engineering Magazine, Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon

Die schädlichen Auswirkungen statischer Aufladungen auf Isolatoren können verringert oder sogar aufgehoben werden.

Der erste Teil dieser zweiteiligen Reihe („Abatement of Static Electricity – Part I: Conductors“, in Compliance Magazine, Juni 2013) befasste sich mit der Reduzierung statischer Aufladungen auf Leitern. In diesem zweiten Teil geht es um Ladungen auf Isolatoren, die anders neutralisiert werden müssen als Ladungen auf Leitern.

Grundsätzlich gibt es drei Methoden zur Neutralisierung von Ladungen auf Isolatoren: Leitfähigkeit durch die Masse des Materials, Leitfähigkeit entlang der Oberfläche des Materials und Anziehung entgegengesetzt geladener Ionen aus der Luft.

Massenleitfähigkeit

Wenn ein Material bewegliche Ladungsträger enthält, spricht man von massiver Leitfähigkeit. Löst eine Feldstärke E im Material eine Stromdichte j aus, so ist die Gesamtleitfähigkeit g des Materials definiert durch

j = γE (1)

oder, wie es normalerweise geschrieben wird,

E = ρj (2)

wobei r = 1/γ der Massenwiderstand ist. Diese Gleichungen sind Formen des Ohmschen Gesetzes. Aus Gleichung 2 geht hervor, dass die Einheit für r (V/m)/(A/m2) = Ω ∙ m ist.

Abbildung 1 zeigt ein Material A mit dem spezifischen Volumenwiderstand ρ und der relativen Permittivität εr. „A“ ruht auf einer geerdeten Platte G. Wenn A mit einer Oberflächenladungsdichte σ geladen ist, entsteht in A ein Feld E, das auf G gerichtet ist. Es wird angenommen, dass alle Feldlinien (der gesamte elektrische Fluss) von der Ladung, die durch A verläuft (dh das Feld außerhalb von A ist vernachlässigbar). Dieses Feld bewirkt, dass sich positive Ladungsträger in Richtung G und negative Ladungsträger in Richtung der Oberfläche von A bewegen, wodurch das Feld schließlich von der ursprünglichen Ladung neutralisiert wird.

Abbildung 1: Material A hat einen Massenwiderstand r und eine relative Permittivität εr.

Die Ladungsdichte σ scheint gemäß der Gleichung durch Material A abzufallen

(3)

wobei so die anfängliche Ladungsdichte ist,

t = Monat, (4)

ist die Zeitkonstante mit εo = 8,85 × 10–12 F ∙ m–1. Aus der Messung der Materialparameter r und er lässt sich daher vorhersagen, wie schnell eine Oberflächenladung neutralisiert wird. Die Frage ist dann, wie man Isolatoren massenleitfähig macht.

Leitfähige Massenisolatoren

Es ist widersprüchlich, über den Transport von Ladungen durch einen Isolator zu sprechen. Wäre dies möglich, wäre das Material nicht wirklich isolierend. Im Laufe der Jahre wurden viele Versuche unternommen, Isoliermaterialien eine geeignete Leitfähigkeit zu verleihen, ohne ihre anderen (normalerweise mechanischen) wünschenswerten Eigenschaften zu beeinträchtigen. Normalerweise geschieht dies durch Vermischen des Materials mit inhärent leitfähigen Zusätzen. Das bekannteste Beispiel für ein solches intrinsisches Antistatikum ist Ruß. Ruß kann einer Vielzahl von Polymermaterialien zugesetzt werden und wird verwendet, wenn die resultierende Schwärzung des Grundmaterials akzeptabel ist.

Das wichtigste Einsatzgebiet von Ruß war lange Zeit der leitfähige Gummi. Gewöhnlicher vulkanisierter Gummi kann einen Massenwiderstand von 1013 Ω ∙ m haben, aber die Zugabe von Ruß kann den spezifischen Widerstand um einen Faktor von bis zu 1015 verringern. Normalerweise ist jedoch ein spezifischer Widerstand von etwa 105–106 Ω ∙ m niedrig genug, um gefährliche Gefahren zu vermeiden oder lästige Ladungsansammlungen.

Leitfähiger Gummi wird häufig in Operationssälen von Krankenhäusern, als Schläuche für Anästhesiegeräte, als Räder an Karren, als Sohlen für antistatisches Schuhwerk und als Autoreifen verwendet. Es sollte erwähnt werden, dass der Schock, den ein Fahrer oder Beifahrer beim Aussteigen aus einem Auto erleiden kann, nicht durch die Entladung des Autos auf den Boden verursacht wird. Stattdessen kann der Fahrer aufgeladen werden, wenn er über den Sitzbezug rutscht, ähnlich wie eine Person aufgeladen wird, wenn sie von einem Stuhl mit isolierendem Sitz aufsteht. Dadurch kann ein Funke zwischen der Person und jedem Metallteil des Autos überspringen, das praktisch auf Erdpotential liegt.

Eine weitere Verwendung von Ruß ist die Herstellung von massiven und textilen antistatischen Bodenbelägen. Die Textilfasern können entweder mit einem zentralen Kern aus Ruß und einem Mantel aus Polyamid oder umgekehrt mit einem zentralen Kern aus Polyamid und einem Mantel aus Ruß hergestellt werden.

Die wichtigste Verwendung von Ruß, zumindest wirtschaftlich, liegt zweifellos in der Elektronikindustrie. Durch die Beladung der Grundmaterialien für Trageschalen, Halter, Röhren, Tragetaschen, Taschen usw. mit Ruß werden diese Gegenstände ausreichend leitfähig gemacht, um eine schnelle Neutralisierung statischer Aufladungen auf dem Material selbst zu gewährleisten. Normalerweise erfolgt die Beladung gleichmäßig über die gesamte Materialmatrix, um die Gesamtleitfähigkeit zu erhöhen, sie kann aber auch in Form einer dünnen leitfähigen Oberflächenschicht erfolgen.

Oberflächenleitfähigkeit

Bei vielen statisch-elektrischen Prozessen scheint es, dass nicht nur die Ladungstrennung, sondern auch die anschließende Ladungsneutralisierung in oder entlang der Oberflächen der beteiligten Materialien stattfindet. Daher erscheint es möglicherweise praktisch, Größen zu definieren, die den Massenparametern der Gleichungen 1 und 2 ähneln, um die Widerstandseigenschaften einer Oberfläche zu charakterisieren.

Wenn ein Feld mit der Stärke Es entlang einer Oberfläche einen Strom mit der linearen Dichte js freisetzt, kann die Oberflächenleitfähigkeit gs definiert werden durch

js = γsEs (5)

oder, wie es normalerweise geschrieben wird,

Es = ρsjs (6)

wobei ρs = 1/γs der Oberflächenwiderstand ist. Da js eine lineare Stromdichte mit der Einheit A/m ist, ergibt sich aus Gleichung 6, dass die Einheit für ρs (V/m)/(A/m) = V/A = Ω ist. Die Gleichungen 5 und 6 drücken beide das Ohmsche Gesetz für die Oberflächenleitfähigkeit aus.

Die Kenntnis des Massenwiderstands (und der Permittivität) kann verwendet werden, um vorherzusagen, wie schnell eine Ladung durch Leitfähigkeit durch die Masse eines Materials neutralisiert wird (siehe Gleichung 3), solange das Feld der Ladung hauptsächlich im Material selbst verläuft. Diese Bedingung wird bei der Massenleitfähigkeit häufig mit ausreichender Genauigkeit erfüllt, bei der Oberflächenleitfähigkeit jedoch selten.

Abbildung 2 zeigt ein isolierendes Material A, auf dem sich eine dünne leitende Schicht B befindet. Eine geerdete Elektrode C wird in direktem Kontakt mit einem Ende von B platziert, und am anderen Ende wird eine positive Ladung q angebracht B. Wenn C das einzige leitende geerdete Objekt in der Nähe des Systems ist, enden alle Feldlinien von q schließlich bei C. Die durch B verlaufenden Teile der Feldlinien bewirken, dass sich negative Ladungsträger in Richtung q bewegen und es schließlich neutralisieren. Allerdings trägt das Feld, das durch den Isolator A oder durch die Luft verläuft, überhaupt nicht zum Neutralisationsprozess bei.

Abbildung 2: Isoliermaterial A mit leitfähiger Schicht B

Oberflächenleitende Isolatoren

Es ist bekannt, dass statische Elektrizitätsprobleme in Umgebungen mit hoher relativer Luftfeuchtigkeit, beispielsweise über 50–60 %, selten auftreten. Dieser Umstand wurde manchmal fälschlicherweise dahingehend interpretiert, dass feuchte Luft eine höhere Leitfähigkeit aufweist als trockene Luft. Allerdings ist feuchte Luft eher weniger leitfähig, da die Beweglichkeit kleiner Luftionen mit zunehmender Luftfeuchtigkeit leicht abnimmt. Die Wirkung erhöhter Luftfeuchtigkeit besteht darin, dass die Feuchtigkeitsschicht auf oder in allen Oberflächen dicker wird und diese Schicht elektrolytische Ionen enthält, die neutralisierende Ladungen liefern.

Die Menge der aus der Luft aufgenommenen bzw. adsorbierten Feuchtigkeit hängt stark vom jeweiligen Material ab. Bei einer Luftfeuchtigkeit von nur 30–35 % weist ein Material wie Baumwolle möglicherweise nur eine geringe Ladungsspeicherung auf, während ein Material wie Polyamid möglicherweise eine Luftfeuchtigkeit von 50 % oder mehr erfordert, um als antistatisch zu gelten. Im Allgemeinen treten bei Luftfeuchtigkeiten von 60 % und mehr keine resultierenden Ladungen auf. Andererseits stellen solch hohe Luftfeuchtigkeiten häufig praktische, technische oder hygienische Probleme dar, wenn sie über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden.

Topische Antistatika

Oft ist es möglich, hochisolierende Materialien auch bei relativ niedrigen Luftfeuchtigkeiten ausreichend oberflächenleitfähig zu machen, indem man die Oberfläche mit Antistatika (topischen Antistatika) behandelt. Diese Wirkstoffe wirken, indem sie eine wenige Moleküle dicke Oberflächenschicht bilden, die viel leichter Feuchtigkeit aus der Luft anzieht als eine unbehandelte Oberfläche.

Antistatische Mittel müssen natürlich hygroskopisch sein, aber auch einen niedrigen Dampfdruck aufweisen, um nicht zu schnell von den behandelten Oberflächen zu verdunsten. Weitere Anforderungen betreffen Farbe, Toxizität, Entflammbarkeit usw.

Chemisch gesehen sind Antistatika amphipathische Verbindungen, deren Moleküle eine hydrophobe Gruppe enthalten, an die eine hydrophile Endgruppe gebunden ist. Je nach Art der Endgruppe werden die Wirkstoffe in kationische, anionische und nichtionogene Wirkstoffe unterteilt. Bei kationischen Materialien handelt es sich üblicherweise um hochmolekulare quartäre Ammoniumhalogenide oder ethoxylierte Fettamine oder -amide. Anionische Materialien können sulfonierte Kohlenwasserstoffe sein, und nichtionogene Materialien können Polyalkylenoxidester sein.

Topische Antistatika werden in großem Umfang in der Textil-, Kunststoff- und Druckindustrie eingesetzt. Eine häufige Anwendung ist die Behandlung von Bodenbelägen zur Reduzierung der Körperspannung von Personen, die über den Boden laufen. Bei textilen Bodenbelägen kann eine ordnungsgemäße antistatische Behandlung zwei bis drei Monate lang wirksam sein. Bei harten Bodenbelägen muss die Antistatikbehandlung in der Regel nach jedem Waschen wiederholt werden.

Permanent antistatische Materialien

In einigen Fällen können Antistatikmittel entweder vor der Polymerisation oder zumindest vor der Extrusion mit einem Polymer vermischt werden. Das bekannteste Beispiel dieser Technik ist wahrscheinlich die Herstellung von antistatischem Polyethylen, allgemein bekannt als Pink Poly. Ethoxylierte Fettamine oder -amide werden mit einem Harz, beispielsweise Polyethylen niedriger Dichte, und einem Antiblockmittel, beispielsweise Calciumcarbonat, gemischt, um Klebrigkeit zu verhindern. Nach der Extrusion oder Formung zum gewünschten Endprodukt (Folie, Platten, Schalen, Schachteln usw.) muss das Additiv an die Oberfläche diffundieren (blühen), um Feuchtigkeit aus der Luft anzuziehen und so das Material antistatisch zu machen.

Rosafarbenes Poly, das neben Rosa auch in vielen anderen Farbtönen vorkommen kann, ist zweifellos das in der Elektronikindustrie am häufigsten verwendete Material für die Verpackung, Lagerung und den Transport empfindlicher Komponenten und Schaltkreise. Materialien mit eingebauten Additiven behalten ihre antistatischen Eigenschaften, solange das Additiv auf der Oberfläche vorhanden ist.

Obwohl der Dampfdruck der meisten Additive relativ niedrig ist, findet immer eine gewisse Verdunstung von der Oberfläche aus statt. Bei frischen Materialien wird diese Verdunstung durch Diffusion aus dem Materialinneren ausgeglichen. Da der Vorrat an Additiv im Feststoff erschöpft ist, kann die Oberflächenkonzentration nicht aufrechterhalten werden. Die Oberfläche soll „austrocknen“, was zu einem zunehmenden Oberflächenwiderstand und schließlich zum Verlust der antistatischen Eigenschaften führt.

Die effektive Lebensdauer eines permanent antistatischen Materials hängt von vielen Faktoren ab. Die wichtigsten davon sind die Umgebungstemperatur und die Dicke des Materials, die (bei einer gegebenen Volumenkonzentration) die für die Diffusion an die Oberfläche verfügbare Additivmenge bestimmt . Es sollte auch erwähnt werden, dass der an die Oberfläche diffundierende Zusatzstoff nicht nur Feuchtigkeit aus der Luft anzieht, sondern auch in unerwünschter Weise mit Bauteilen und Geräten reagieren kann, die mit dem Material in Berührung kommen. Zu diesen unerwünschten Reaktionen gehört die Bildung von Haarrissen und Rissen bei Leiterplatten und anderen Gegenständen aus Polycarbonat, wenn sie in antistatischen Materialien verpackt werden, die Fettamine enthalten.

Ladungsneutralisierung durch Luftionen

Bei allen oben diskutierten Methoden zur Neutralisierung von Ladungen auf Isolatoren geht es um eine Änderung der Materialparameter, wie z. B. des Oberflächen- oder Volumenwiderstands. Allerdings sind solche Modifikationen oft weder möglich noch akzeptabel. In solchen Fällen bleibt nur eine Methode: Die Ladungen mit entgegengesetzt geladenen Luftionen neutralisieren. In einem früheren Artikel („Ions“, In Compliance Magazine, November 2011) wurden die physikalischen Eigenschaften von Luftionen und ihre Entstehung diskutiert. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Prozesse der Ladungsneutralisierung.

Die Ladungsträger, entweder Elektronen oder elektrolytische Ionen, die an der Massen- und Oberflächenleitung beteiligt sind, sind ziemlich stabile Mengen, die immer vorhanden und bereit sind, sich zu bewegen, wenn sie einem Ladungsfeld ausgesetzt werden. Durch die Neutralisationsprozesse verändern sich die Konzentrationen nicht und negative und positive (elektrolytische) Ionen existieren nebeneinander, ohne zu versuchen, sich gegenseitig zu vernichten. In einigen Fällen (Massenleitung) ist es sogar möglich vorherzusagen, wie schnell eine Ladung neutralisiert wird.

Bei Luftionen ist dies jedoch nicht der Fall. Erstens sind Luftionen dort, wo sie verwendet werden sollen, von Natur aus nicht vorhanden, außer in Umgebungen mit hohen Radon- und Radon-Tochterkonzentrationen. Sie müssen an einem anderen Ort erzeugt werden (durch hohe elektrische Felder oder radioaktiven Zerfall) und durch ein Feld, manchmal unterstützt durch einen Luftstrom, zur Ladung gebracht werden. Darüber hinaus sind Luftionen instabile Strukturen mit begrenzter Lebensdauer. Während in oder auf geeigneten Materialien eine stabile, hohe Volumen- oder Oberflächenleitfähigkeit erzeugt werden kann, ist dies bei der Luftionisation nicht der Fall.

Angenommen, in einem Raum entsteht eine hohe Ionendichte mit vergleichbaren Konzentrationen positiver und negativer Ionen: Die Ionen verschwinden, wenn kein Nachschub an neuen, frisch gebildeten Ionen vorhanden ist. Die Ionen verschwinden, indem sie sich mit in der Luft befindlichen Partikeln verbinden. durch die Rekombination positiver und negativer Ionen und die Umwandlung in Sauerstoff, Stickstoff und einige Wassermoleküle; oder durch Ausplattieren auf einer beliebigen Oberfläche im Raum.

Trotz der scheinbar negativen Eigenschaften von Luftionen ist die Verwendung von Luftionen die einzige Möglichkeit, Ladungen auf Isolatoren zu neutralisieren.

Luftleitfähigkeit und Widerstand

Luft, die Ionen enthält, ist auf ähnliche Weise leitfähig wie feste Materialien, die bewegliche Ladungsträger enthalten (siehe Gleichungen 1 und 2). Beim Umgang mit Luftionen muss jedoch zwischen der Leitfähigkeit durch negative Ionen und der Leitfähigkeit durch positive Ionen unterschieden werden.

In einer Atmosphäre mit positiven und negativen Ionen verursacht ein elektrisches Feld E einen Strom mit der Dichte j+ in Richtung E,

j+ = γ+E (7)

wobei g+ die durch positive Ionen verursachte Leitfähigkeit ist (positive Leitfähigkeit).

Gleichung 7 kann wie folgt umgeschrieben werden:

E = ρ+j+ (8)

wobei ρ+ = 1/γ+ der positive spezifische Widerstand der Luft ist.

Das gleiche Feld E verursacht auch einen Strom (durch negative Ionen getragen) mit der Dichte j– in der entgegengesetzten Richtung zum Feld, was E = p− j− (9) ergibt.

wobei p− der negative spezifische Widerstand der Luft ist.

Abbildung 3 zeigt einen positiv geladenen Isolator A in einer Atmosphäre mit positiven und negativen Ionen. Die positiven Ionen werden abgestoßen (solange A selbst positiv geladen ist) und haben daher keinen Einfluss auf die Ladung von A.

Abbildung 3: Positiv geladener Isolator in ionisierter Atmosphäre weit entfernt von geerdeten Objekten

Die negativen Ionen hingegen werden von A angezogen und lagern sich auf der Oberfläche ab. Ob die Ladung der negativen Ionen tatsächlich die positive Ladung auf A neutralisiert oder das Feld der ausplattierenden Ionen nur das Feld der Ladung auf A überlagert, ist eine Frage von akademischem Interesse. Das Ergebnis ist, dass A allmählich seine Ladung zu verlieren scheint. Wenn sich das Feld von A (der Fluss) hauptsächlich in eine Atmosphäre mit negativem spezifischem Widerstand p− erstreckt, scheint die Ladung q+ auf A gemäß der Gleichung abzuklingen

(10)

Dabei ist qo+ die Anfangsladung und τ+ die Zeitkonstante für den positiven Ladungsabfall, gegeben durch

τ+ = eor− (11)

Es scheint daher, dass die Neutralisierungsrate für eine positive Ladung durch den negativen spezifischen Widerstand der Umgebung bestimmt wird, oder genauer gesagt, durch den spezifischen Widerstand, der durch die negativen Ionen verursacht wird.

Die Gleichungen 10 und 11 sind parallel zu den Gleichungen 3 und 4 für den Massenzerfall durch ein festes Material, es sollte jedoch betont werden, dass eine aus Gleichung 11 berechnete Zeitkonstante normalerweise niedriger ist als die, die experimentell gefunden werden kann. Der Grund dafür ist, dass ein geladener Körper selten weit von anderen Körpern (insbesondere Leitern) entfernt ist, wie in Abbildung 3 angenommen.

Die Situation in Abbildung 4 könnte der Realität näher kommen. Hier wird der geladene Isolator A in der Nähe eines geerdeten Leiters B platziert und berührt ihn möglicherweise sogar. Teile der Feldlinien von A enden bei B und verlaufen durch einen Raum ohne oder mit sehr wenigen Ionen. Dieser Teil des Feldes trägt nicht vollständig zur Neutralisierung bei, und daher ist der Prozess langsamer, als wenn A frei in einer ionisierten Atmosphäre schweben würde.

Abbildung 4: Positiv geladener Isolator in ionisierter Atmosphäre in der Nähe eines geerdeten Leiters

Diese Situation entspricht ziemlich genau der in Abbildung 2 dargestellten Situation für die Oberflächenleitung. Es gibt jedoch einen großen Unterschied. Während eine Oberflächenzerfallszeit nicht berechnet oder vorhergesagt und kaum gemessen werden kann, kann die Neutralisationszeit durch Luftionen oft mit einem Ladungsplattenmonitor oder einem ähnlichen Instrument genau geschätzt werden.

Ionisatortypen

Jeder Ionisierungsprozess in der Luft beginnt mit der Abspaltung eines Elektrons von einem Sauerstoff- oder Stickstoffmolekül. Dieser Vorgang erfolgt in radioaktiven Ionisatoren und Feldionisatoren auf unterschiedliche Weise.

Radioaktiver Ionisator:Ein radioaktives Material (typischerweise ein Alpha-emittierendes Nuklid mit einer Halbwertszeit in der Größenordnung von einem halben Jahr) wird auf ein Trägermaterial aufgebracht und mit einer extrem dünnen Schutzschicht, oft aus Gold, bedeckt.

Die Alphateilchen werden vom Nuklid mit einer Energie von beispielsweise 5 MeV (» 8 x 10–13 J) emittiert. Ein kleiner Teil dieser Energie geht in der Schutzschicht verloren, dennoch ist das Alphateilchen in der Lage, auf seiner Reichweite von wenigen Zentimetern vielleicht 150.000 positive und negative Ionenpaare zu erzeugen.

Der Ionisator wird daher in einem Abstand vor dem geladenen Material platziert, der etwas größer ist als die Reichweite der Alphateilchen. Wenn das Material positiv geladen ist, werden negative Ionen angezogen und lagern sich auf dem Material ab, wodurch das Feld allmählich abnimmt.

Die Neutralisierungseffizienz radioaktiver Ionisatoren ist nicht sehr hoch, aber bei relativ geringen statischen Aufladungen und insbesondere in engen Räumen sind radioaktive Ionisatoren sehr praktisch. Sie erfordern keine elektrische Installation und können keine potenziell schädlichen elektrischen Entladungen verursachen.

Da es sich um ein relativ kurzlebiges Nuklid handelt, wird der Ionisator in regelmäßigen Abständen ausgetauscht und darf nicht über längere Zeiträume unbeaufsichtigt bleiben. Aufgrund der Verwendung von alphaaktiven Nukliden ist die äußere radiologische Dosis unbedeutend. Wenn das radioaktive Material jedoch versehentlich in die Umwelt gelangt und in die Luft gelangt, kann es eingeatmet werden. In diesem Fall kann die hochenergetische Alphastrahlung eine innere Dosis abgeben, die schließlich zu radiologischen Schäden an den Atemwegen führen kann. Bei modernen Ionisatoren ist das Risiko jedoch äußerst gering.

Feldionisation: In einem radioaktiven Ionisator werden Alphateilchen mit ausreichend Energie emittiert, um eine Ionisierung einer großen Anzahl von Luftmolekülen zu bewirken. Bei den häufiger verwendeten elektrischen oder feldbasierten Ionisatoren wird die notwendige Energie durch die Beschleunigung eines Elektrons in einem stark inhomogenen Feld geliefert.

Abbildung 5 zeigt eine Punktelektrode, einen sogenannten Emitter. Wenn die Elektrode gegenüber der geerdeten Umgebung auf einem ausreichend hohen Potential gehalten wird, übersteigt die Feldstärke E in unmittelbarer Nähe der Elektrode die Durchschlagsfeldstärke Eb.

Abbildung 5: Feldionisation

In diesem Bereich werden positive und negative Ionen gebildet. Wenn der Emitter positiv ist (siehe Abbildung 5), bewegen sich die negativen Ionen in Richtung des Emitters, wo sie neutralisiert werden und ihre negative Ladung an den Emitter abgeben. Dementsprechend entfernen sich die positiven Ionen vom Emitter, sodass es so aussieht, als hätte der Emitter tatsächlich positive Ionen emittiert. Aber das ist nicht der Fall. Der Emitter sendet nichts aus. Der Ionisationsprozess findet ausschließlich in der Luft vor dem Emitter statt. Außerdem wird die Ionisierung nicht durch die Spannung des Emitters, sondern durch das Feld verursacht.

Passiver Ionisator: Die einfachste Form eines Feldionisators ist ein passiver Ionisator. Es handelt sich im Wesentlichen um einen einzelnen geerdeten Emitter oder (häufiger) um eine Reihe geerdeter Emitter, die parallel und nahe dem geladenen Material angeordnet sind. Die Ladung sorgt für ein elektrisches Feld. Ist die Ladungsdichte hoch genug, wird in der Nähe des Emitters die Durchbruchfeldstärke überschritten und es bilden sich in der Region positive und negative Ionen. Negative Ionen wandern zum Emitter und werden neutralisiert, positive Ionen wandern zum geladenen Material und neutralisieren nach und nach die dort befindliche Ladung.

Wenn die Ladungsdichte zu niedrig wird, stoppt die Ionisierung; daher stoppt die Neutralisierung. Ein passiver Ionisator ist daher nicht in der Lage, ein Material vollständig neutral zu machen, er kann jedoch hohe Ladungen reduzieren, was in vielen Branchen ausreichend ist.

Es ist zu beachten, dass der Emitter das geladene Material nicht berühren darf. Die Neutralisierung erfolgt nicht durch Kontakt, sondern durch den Ionisationsprozess.

AC-Ionisator: In Fällen, in denen ein passiver Ionisator keine ausreichende Neutralisierung bietet, kann oft ein Wechselstrom-Ionisator die Aufgabe erfüllen. Der Emitter ist an eine Wechselspannungsversorgung angeschlossen, meist im Kilovoltbereich. Vor dem Emitter kommt es abwechselnd zur Bildung positiver und negativer Ionen, wobei die Polarität des geladenen Materials die Polarität der angezogenen Ionen bestimmt.

Ein Nachteil von Wechselstrom-Ionisierern besteht darin, dass die Ionisierung nur in dem Teil jedes Halbzyklus stattfindet, in dem die Spannung des Emitters die Durchbruchspannung überschreitet. Wenn sich das geladene Material daher schnell am Ionisator vorbeibewegt, kann die Neutralisierung unvollständig sein. Darüber hinaus sollte das Wechselstromsignal nicht symmetrisch sein – die Durchbruchspannung ist bei negativer Ionisierung niedriger als bei positiver.

Gleichstrom-Ionisator:Die effektivste Neutralisierung wird durch die Verwendung eines Gleichstromionisators erreicht, der normalerweise aus zwei Emittern besteht, die jeweils auf einem positiven und einem negativen Potenzial gehalten werden (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Gleichstrom-Ionisator

Wenn der Ionisator richtig ausbalanciert ist, werden positive und negative Ionen in gleichen Konzentrationen vor dem geladenen Material bereitgestellt, und wie beim Wechselstrom-Ionisator erläutert, bestimmt die Polarität der Ladung, welche Arten von Ionen zur Neutralisierung verwendet werden.

Wenn die zu neutralisierende Ladung immer die gleiche Polarität hat (z. B. das negativ geladene Material in Abbildung 6), erscheint es möglicherweise natürlich, nur einen positiven Gleichstromionisator zu verwenden. Dies stellt jedoch möglicherweise keine Neutralisierung sicher, sondern kann stattdessen zu einer positiven Ladung führen, die durch den Ionisator verursacht wird. Daher ist es wichtig, dass der Ionisator in der Lage ist, die Ionenkonzentrationen dort auszugleichen, wo die Neutralisation stattfinden soll.

Allgemeine Hinweise zur Ionisation und zu Ionisatoren

Praktische, kommerzielle Ionisatoren ähneln denen in den Abbildungen 5 und 6 nicht sehr. Oft werden sie vor einem Ventilator montiert, um die Ionen dorthin zu befördern, wo sie benötigt werden. Solche Ionengebläse sind praktisch für die lokale Neutralisierung.

Wenn es notwendig ist, die Neutralisierung in größeren Bereichen oder in größeren Volumina sicherzustellen, kann die Ionisierung des gesamten Raums eingesetzt werden. Bei solchen Systemen werden mehrere Ionisatoren unter der Decke montiert. Die Sender können abwechselnd positiv und negativ sein oder alle können an eine Wechselspannung angeschlossen werden, entweder sinusförmig (50 oder 60 Hz) oder rechteckig gepulst (1–2 Hz). Bei der Rechteckimpulstechnik werden ständig Ionen mit wechselnden Polaritäten erzeugt, und da die Impulse ziemlich lang sind, haben Ionen einer bestimmten Polarität die Möglichkeit, sich vom Emitter zu entfernen, bevor Ionen der entgegengesetzten Polarität erzeugt werden und die Rekombination einsetzt . Die Trennung kürzerer positiver und negativer Impulse um etwa eine halbe Sekunde bei der Stufenimpulstechnik kann den Prozess verbessern. Die Ionen werden durch Felder, Diffusion und am häufigsten durch laminare Luftströmung zu Arbeitsplätzen und Gegenständen transportiert, wo eine Neutralisierung erforderlich ist.

Abschluss

Diese Artikelserie ist nicht als Handbuch zur Bekämpfung der Risiken und Belästigungen statischer Elektrizität gedacht. Vielmehr soll es einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten geben, diese Probleme anzugehen, und in gewissem Maße auch die Vor- und Nachteile der Implementierung verschiedener Methoden beschreiben.

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