Opbouw atomen

Onderzoekingen van Rutherford en Bohr hebben geleid tot een sterk vereenvoudigd model van de bouw van het atoom. Dit model is in dit kader zeer bruikbaar. De kern van het atoom bevat protonen die een positieve lading hebben. Om de kern bewegen de elektronen. Deze hebben een negatieve lading. Er bestaat ‘in normale toestand’ een evenwicht tussen de positieve lading en de negatieve.

De mate waarin de elektronen aan de kern gebonden worden verschilt sterk per materiaal. Bij geleiders zoals ijzer en koper bijvoorbeeld, zijn de buitenste elektronen zeer zwak aan de kern gebonden. Deze elektronen kunnen relatief makkelijk door de stof heen bewegen (van atoom naar atoom). Ze worden wel geleidingselektronen genoemd.

koperatoom

Figuur 1: Opbouw koperatoom met protonen en elektronen

Opwekking statische lading

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. Er bleef te veel onverklaard. Zo kan met het ‘wrijvingsenergiemodel’ bijvoorbeeld geen verklaring gevonden worden voor de bijzonder sterke statische oplading die ontstaat als bijvoorbeeld de folie van een acrylplaat wordt gehaald.

De ontdekking van de fysica van de halfgeleiders heeft een algemeen erkende theorie opgeleverd voor het ontstaan van statisch elektrische oplading. Het bedoelde theoretische model, mede gebaseerd op de thermodynamica, onderbouwt het vereenvoudigde model dat reeds in 1879 door de natuurkundige Helmholtz beschreven werd.
Het volgende model waarvan het fundament door Helmholtz gelegd werd, kan gebruikt worden om statische elektriciteit uit te leggen.

De kracht die nodig is om elektronen aan een atoom te binden, verschilt – zoals gezegd – per stof. Dit betekent dat de energie die nodig is om elektronen los te maken van het atoojn per materiaal verschillend is.

Als twee verschillende materialen in zeer nauw mechanisch contact worden gebracht, gaan de elektronen van het materiaal met de kleinste elektronenuittredingsenergie naar het materiaal met de grootste. Hierdoor ontstaat een polarisering van de lading. Het materiaal waar de elektronen naartoe gaan, krijgt een plaatselijke negatieve lading. Het andere materiaal natuurlijk een positieve.

De krachten die hierbij optreden zijn zeer klein. Het beschreven fenomeen treedt alleen maar op als de afstand tussen de materialen in de orde van grootte van 1 nanometer is. In de Duitse literatuur wordt het verschijnsel wel beschreven als de Helmholtz Doppelschicht. In de Nederlandse literatuur wordt soms de term elektrische dubbellaag gebruikt.

helmholz

Figuur 2: principe Helmholz Doppelschicht

De tweede stap is het scheiden van de materialen. De scheiding van materialen verloopt geleidelijk. Er blijft in eerste instantie nog een gedeeltelijk contact. Over het resterende contactvlak zullen de elektronen terugstromen. In tegenstelling tot hetgeen vaak gedacht wordt, bewegen elektronen niet met de lichtsnelheid door een materiaal. De fysieke verplaatsing van een elektron is maximaal enkele centimeters per seconde.

De snelheid waarmee de twee materialen gescheiden worden is dan ook in hoge mate bepalend voor de restlading die achterblijft op het oppervlak van beide materialen. Bij het zeer snel uit elkaar trekken zal de lading vele malen hoger zijn dan wanneer dit zeer langzaam geschiedt.

Het Helmholtz Doppelschicht-model verklaart waarom er geen wrijving nodig is om een statische oplading te krijgen. Contact maken en daarna snel ‘lostrekken’ volstaat. Wrijven dient uitsluitend om het nauwe contact c. q. het snelle ‘lostrekken’ tot stand te brengen.


Reacties

Theorie statische oplading en ontlading — 2 reacties

  1. Wij leveren en plaatsen keramische keukentabletten, wij vernemen met regelmaat dat de kledij ter hoogte van de tablet gaatjes vertoond.Vooral in de buurt van en met inductiekookplaten, is dat hier ook ten gevolge van statische oplading of ontlading, en zo ja kunnen, wij daar iets aan doen om dat probleem te vermijden ?
    Dit fenomeen is nieuw in de bouwwereld.
    Indien mogelijk een kleine reactie, waarvoor dank.

    • Kan dit fenomeen verklaard worden vanuit elektrostatische ontladingen?

      Voordat een ontlading kan optreden, moet er eerst sprake zijn van elektrostatische oplading. Hierbij moet naar zowel de keramisch keukenblad als de kleding gekeken worden. Van kleding is bekend dat elektrostatische oplading kan ontstaan. De oppervlaktespanning kan hierbij heel hoog worden maar dit, behalve bij wol, komt niet vaak voor. Van keramisch keukenblad lijkt het zeer onwaarschijnlijk tenzij kunstharsen als bindmiddel zijn gebruikt. Is kunsthars het bindmiddel dat valt er op voorhand weinig over te zeggen. Mits beschikt wordt over het juiste meetinstrument is de elektrostatische oplading relatief eenvoudig te meten.

      Voor het overspringen van vonken moet de veldsterkte van het elektrische veld voldoende sterk zijn. Voor de praktijk kan de overslagspanning gebruikt worden. Die is voor lucht 1 à 3 kV/mm. Zo zal bij een oppervlaktespanning van 25 kV een vonk kunnen overspringen als de afstand minder dan 25 à 75 mm is. Bij het koken komen deze afstanden tot het keukenblad voor. Dus uit te sluiten is het niet. Dit impliceert ook dat als er een relatie van de gaatjes met elektrostatische ontlading is de gaatjes zich zouden moeten vooral rondom navelhoogte in de kleding moeten voorkomen. Als die random over de kleding verspreid zijn dan is een relatie met elektrostatische ontladingen praktisch uit te sluiten.

      De energie van een vonk bij een elektrostatische ontlading is heel beperkt. De vraag is dan ook of deze voldoende is om een gaatje in de kleding te schroeien. Op grond van mijn kennis acht ik dit vrijwel uitgesloten maar zeker durf ik het niet te stellen. Door de gaatjes in de kleding onder een microscoop te leggen, is in de regel goed na te gaan wat de oorzaak is van de kapot gaan van de vezels in de kleding. Als de vezeluiteinden geschroeid zijn, dan hoeft dat elektrostatisch ontlading overigens nog niet de oorzaak te zijn. Het schroeien kan namelijk ook een andere oorzaak hebben. Een goed laboratorium kan onderzoeken of er materiaalvreemde stoffen bij de gaatjes aanwezig zijn. Dit laatste geeft dan meer informatie over de oorzaak.

      Resumerend kan gesteld worden dat het zeer onwaarschijnlijk is dat elektrostatische ontladingen de oorzaak zijn van de gaatjes in de kleding. Ondanks dat wil ik het niet naar het rijk der fabelen verwezen. Daarvoor is meer nodig. Om meer grip op het probleem te krijgen, is mijn advies om enkele kledingstukken met gaatjes te verzamelen. En dit te laten onderzoeken door een laboratorium met een open blik op het probleem. In mijn netwerk zitten laboratoria die dit kunnen en het ook een uitdaging vinden.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Het beantwoorden van vragen op de website is een gratis service die verleend wordt als er tijd voor is. En past in de doelstelling van de website, het geven van voorlichting. Reacties/vragen worden dan ook pas na moderatie geplaatst.