De geschiedenis

Het fenomeen statische elektriciteit werd ontdekt in het oude Griekenland van rond 800 voor Christus. Rond die tijd zou Thales van Milete ontdekt hebben dat barnsteen een bijzondere eigenschap heeft.Als het opgewreven wordt, blijkt het veren aan te trekken. Deze proef wordt nog steeds gebruikt op de middelbare school, alleen met andere materialen. Om een negatieve lading te krijgen wordt met een kattenvel over een ebonieten staaf gewreven. Een positieve lading wordt opgewekt door met een zijden doek over een glazen staaf te wrijven.

Elektrostatische oplading

Velen hebben getracht op basis van proeven met wrijving een theoretische verklaring te geven voor statische oplading waarbij ‘wrijving’ centraal staat. Sommige onderzoekers kwamen met de term wrijvingsenergie. Geen van deze modellen bleek valide. De ontdekking van de fysica van de halfgeleiders heeft een algemeen erkende theorie opgeleverd voor het ontstaan van statische elektrische oplading. Deze theorie, mede gebaseerd op de thermodynamica, onderbouwt het vereenvoudigde model dat reeds in 1879 door de Duitse natuurkundige Helmholtz beschreven werd. In de Duitse literatuur wordt het verschijnsel wel beschreven als de Helmholtz Doppelschicht. De essentie van het model is dat na het snel scheiden van twee op elkaar gedrukte materialen (die verschillen in samenstelling) er een ongelijke verdeling van elektronen ontstaat over de twee materialen. Het materiaal met een overschot aan elektronen wordt negatief geladen, het andere positief Voor dit verschijnsel is wrijving niet noodzakelijk. Slechts een zeer nauw mechanisch contact dat op enig moment relatief snel verbroken wordt, volstaat. Zie ook bijlage 1.

Figuur 1: Statische oplading volgens Helmholtz Doppelschicht

Er zijn nog andere mechanismen die leiden tot statische oplading. Een belangrijk mechanisme is het contact maken met een statisch opgeladen voorwerp. Dit komt veelvuldig voor bij het aanraken van de deurknop van een ‘opgeladen’ auto. Of de oplading permanent is, hangt af van de elektrische weerstand van de schoenen. De hoogte van de statische elektrische oplading van personen wordt in de praktijk bepaald door een groot aantal parameters. De belangrijkste zijn:

• het verschil in bindingsenergie van de elektronen tussen de twee stoffen;
• de grootte van het contactvlak; de ruwheid van het contactoppervlak;
• de snelheid van scheiding;
• de elektrische oppervlakteweerstand (zie ook de bijlage);
• de relatieve vochtigheid (zie verder hoofdstuk 4).

De eerste drie punten bepalen de hoeveelheid lading (elektronen) die tijdens het contact van de ene stof naar de andere gaat. De laatste twee bepalen de snelheid waarmee het evenwicht tijdens de scheiding hersteld kan worden. Indien een van de materialen een relatief lage elektrische oppervlakteweerstand heeft, zal het evenwicht beter en sneller hersteld kunnen worden dan bij twee hoog isolerende stoffen. De lading die overblijft zal dan gering zijn. Hetzelfde herstel van evenwicht treedt op bij een langzame scheiding van de twee materialen.

Ontlading

De echte hinder ontstaat pas bij de elektrostatische ontlading. Die vindt plaats als twee voorwerpen met een verschillende lading contact met elkaar maken. In de praktijk gaat het dan vaak om een voorwerp van eindige grootte – het menselijk lichaam – dat verbinding maakt met de (neutrale) aarde (voorwerp van ‘oneindige’ grootte). Het overschot aan elektronen gaat hierbij naar de aarde. Bij een tekort wordt de hoeveelheid elektronen juist aangevuld vanuit de aarde. De snelheid waarmee dit gebeurt is afhankelijk van het ladingsverschil tussen de twee lichamen en de elektrische weerstand die de lading ondervindt bij het ontladen.

Statische oplading in de praktijk

Aan de basisvoorwaarde van het optreden van statische oplading – twee verschillende materialen die nauw contact met elkaar maken – wordt binnen kantoren, scholen, ziekenhuizen e.d. altijd voldaan. De zolen van schoenen hebben totaal andere eigenschappen dan de vezels van tapijt of de laklaag van parket. Met name is hierbij van belang het verschil tussen de krachten waarmee de twee stoffen de elektronen ‘vasthouden’ (zie hiervoor de bijlage).

Figuur 2: Ladingsopbouw in een schoen

Overigens zorgt het lopen er niet voor dat het lichaam een tekort of overschot aan negatieve ladingdragers krijgt. Doordat de onderkant van de schoenzool bijvoorbeeld negatief geladen wordt, worden binnen het van oorsprong neutrale lichaam de elektronen (=negatieve ladingdragers) afgestoten (gelijknamige ladingen stoten elkaar af). Er is dus sprake van een verschuiving van lading binnen het lichaam. De totale hoeveelheid lading blijft neutraal.

Figuur 3: Elektrische spanning (u) bij lopen

Ook het opstaan uit een stoel kan tot ladingverschuiving leiden. De mate waarin dit optreedt, is onder meer afhankelijk van de gedragen kleding en het type stoelbekleding. In de onderstaande tabel is weergegeven welke lichaamsspanning kan ontstaan bij verschillende typen overalls (afhankelijk van de relatieve vochtigheid (r.v.) van de lucht).

Tabel 1: Mate van oplading bij het opstaan uit een stoel bij verschillende typen kleding [3]

Statische ontlading in de praktijk

De snelheid van ontlading wordt bepaald door de elektrische oppervlakteweerstand en de doorgangsweerstand (zie ook de bijlage). Bij een lage weerstand van het voorwerp dat wordt aangeraakt, zal de ontlading van de ‘opgeladen’ mens snel verlopen. Snelle ontladingen geven meer hinder dan langzamere. Hout en de meeste kunststoffen geven daarom minder problemen dan metalen, die alle goede (‘snelle’) geleiders zijn.

Indien  antistatische (goedgeleidende) schoenen of kleding gedragen worden, kan de ontlading ook hierlangs plaatsvinden. De ontladingstijd is dan over het algemeen minder dan 0,2 seconde. De ontlading verloopt in dat geval veel geleidelijker en ook de ontladingsstroom is relatief gering.

Figuur 4: Stroomverloop (i) snelle ontlading bij aanraking metalen voorwerpen (duur: nano- tot microseconden)