Schallschwebende Teilchen zeigen ein vorhersagbares Muster bei statischer Ladung

Wenn zwei Teilchen immer wieder voneinander abprallen, überträgt jeder Stoß eine unvorhersehbare Menge elektrischer Ladung zwischen ihnen, doch die Gesamtladung folgt einem klaren Muster. Zu diesem Ergebnis kamen Physiker der University of Bristol unter der Leitung von Tom O'Hara, die wiederholte Kollisionen zweier vom Schall in der Luft gehaltener Teilchen untersuchten. Das Ergebnis wurde am 23. Oktober in Physical Review E veröffentlicht, unter dem Titel „It takes two to tribo: Stochastic charge evolution in repeated binary collisions of acoustically levitated particles“ (Zum Tribo gehören zwei: stochastische Ladungsentwicklung bei wiederholten binären Kollisionen akustisch schwebender Teilchen).

Ein alter Effekt, der noch nicht vollständig verstanden ist

Die triboelektrische Aufladung, der Prozess, der statische Elektrizität erzeugt, tritt immer auf, wenn zwei Objekte sich berühren und wieder trennen: Sie tauschen Ladung aus, deren Vorzeichen und Größe von den beteiligten Materialien abhängen. „Die triboelektrische Aufladung ist seit der Zeit Platons bekannt, aber die grundlegenden Mechanismen der Ladungsübertragung sind noch immer nicht vollständig verstanden“, erklärt O'Hara. „Das ist besonders wichtig für isolierende Pulver, bei denen die große Oberfläche große Mengen an Oberflächenladung ermöglicht.“

Der Effekt tritt in vulkanischer Asche, Staubstürmen und Gewitterwolken auf, wo der Ladungsaufbau schließlich in einem Blitz endet. Er ist auch ein Risiko in der Industrie, wo Ladung brennbaren Staub oder Dampfwolken entzünden kann. Da solche Systeme riesige Zahlen von Kollisionen unter wechselnden Bedingungen umfassen, ist es sehr schwer, herauszufiltern, was bei einer einzelnen Kollision geschieht.

Wie sie vorgingen

2017 baute ein Bristoler Team TinyLev, einen kostengünstigen akustischen Levitator aus handelsüblichen Teilen, der Objekte wie Siliziumdioxidkugeln, Wassertropfen und kleine Insekten festhalten kann. Das neue Gerät, MultiLev, ist eine besser kontrollierbare Version. Es hält zwei Polystyrolteilchen fest und lässt sie wiederholt kollidieren.

Der Aufbau umfasst zwei einander gegenüberliegende Faraday-Becher, die die Ladung eines hineingelegten Teilchens messen, indem sie den von ihm induzierten Strom mit einem empfindlichen Pikoamperemeter erfassen. Die Becher bestehen aus einem Drahtgitter mit sorgfältig gewähltem Abstand, sodass die für die Levitation verwendeten Schallwellen hindurchgehen. So konnten die Forscher jedes Teilchen in seinem eigenen Becher schweben lassen, das akustische Feld so verändern, dass die Teilchen zwischen den Bechern zusammenkamen, und dann jedes Teilchen in seinen Becher zurückbringen, um die bei der Kollision übertragene Ladung zu messen.

Zufällige Schritte, vorhersagbare Summe

Zunächst wirkte die bei einzelnen Kollisionen ausgetauschte Ladung zufällig, ihre Werte folgten einer schiefen Normalverteilung. Doch je mehr Kollisionen das Team auslöste, desto deutlicher zeigte sich ein kumulatives Muster: Die Ladung jedes Teilchens stieg zunächst stetig an und näherte sich dann einem Maximum, einem Sättigungswert. „Das stimmt mit dem zuvor vorgeschlagenen Kondensatormodell überein, das die Aufladung der Teilchen wie die eines Kondensators behandelt“, sagt O'Hara.

„Indem wir einen klaren Zusammenhang zwischen wiederholten Teilchenkollisionen und Ladungssättigung in einem kontrollierten System herstellen, schaffen wir eine nützliche Grundlage für die Untersuchung der triboelektrischen Aufladung in komplexeren Umgebungen“, fügt er hinzu. Laut dem Bericht in Physics World könnte der Ansatz Forschern letztlich helfen, den Ladungsaufbau in realen Situationen zu verstehen, was zu besseren Vorhersagen von Extremwetter und fundierteren Sicherheitsvorschriften für die verarbeitende Industrie führen könnte. Mehr dazu in unserer Rubrik Wissenschaft.