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Technik im Physikunterricht - Technische Universität Braunschweig

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tisch aufzuladen: (1)

tisch aufzuladen: (1) Das Berühren mit einem geladenen Gegenstand, (2) das Aufladen durch Kontaktelektrizität, (3) das Aufladen durch Ladungen, die von einer Spitze „weggesprüht“ werden (Spitzenentladung, Koronaentladung). Im Laserdrucker wird die dritte Methode (Koronaentladung) genutzt. Die Walze bewegt sich unter einem dünnen Draht entlang, der ihr gegenüber eine negative Hochspannung aufweist und Elektronen gleichmäßig auf die Walze „aufsprüht“ (Abbildung 21). Abbildung 21: Draht für die Koronaentladung (Quelle: http://www.physics.hku.hk/~phys0607/lectures/chap06.html) Bei einer Koronaentladung entweichen Elektronen aus einer Metallspitze, wenn an dieser eine negative hohe Spannung anliegt. Das Elmsfeuer, das früher die Seeleute auf Schiffen ängstigte ist ein Beispiel für eine Koronaentladung. Eine Koronaentladung ist jedoch nichts Geheimnisvolles; ihr Grundprinzip kann mit den einfachsten Gesetzen der Elektrostatik erklärt werden (wie immer sind die Details des Prozesses viel komplizierter; eine Zusammenfassung findet man in der englischsprachigen Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/ Corona_discharge). Das Grundprinzip kann man mit den beiden folgenden Gesetzen verstehen: 1. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. 2. In einem Metall sind die Elektronen frei beweglich. In Abbildung 22 sind die elektrostatischen Kräfte auf ein Elektron in einer negativ geladenen Metalloberfläche dargestellt. Die „überschüssigen“ Elektronen sammeln sich an der Metalloberfläche. Beispielhaft sind in der Abbildung fünf Elektronen gezeigt und die Kräfte der äußeren Elektronen auf das mittlere eingezeichnet. Die elektrostatische Kraft zwischen zwei Ladungen zeigt entlang ihrer Verbindungslinie. Bei der links gezeigten schwach gekrümmten Fläche heben sich die Kräfte daher nahezu paarweise auf. Die Gesamtkraft auf Elektron 3 ist vergleichsweise gering. 28

Abbildung 22: Kräfte auf ein Elektron in einer geladenen Metalloberfläche (a) schwach gekrümmte Fläche, (b) stark gekrümmte Fläche Anders bei der rechts gezeigten stark gekrümmten Fläche. Die Kräfte der Elektronen 2 und 4 auf das Elektron 3 sind nun nicht mehr nahezu entgegengesetzt gerichtet, sondern schon fast parallel. Ihre Wirkungen addieren sich; es entsteht eine sehr große, nach außen gerichtete Gesamtkraft auf Elektron 3. Bei genügend großer negativer Ladung des Metalls werden die Elektronen aus der Metalloberfläche „gesprüht“: Es tritt eine Koronaentladung auf. Hinzu kommt, dass die Elektronen in der Spitze nicht (wie in der Abbildung eingezeichnet) in gleichen Abständen sitzen. Sie konzentrieren sich im stark gekrümmten Teil, denn in der gezeigten Situation wirkt ja gerade eine Kraft auf die Elektronen, die sie in die Spitze hineintreibt, so lange bis durch die gegenseitige Abstoßung ein Kräftegleichgewicht hergestellt ist. Dadurch wird in der Spitze die Elektronendichte erhöht und der Effekt noch verstärkt. Dass an geladenen scharfen Spitzen hohe Feldstärken auftreten, kann mit einem Demonstrationsexperiment gezeigt werden, das unter dem Titel „elektrischer Wind“ bekannt ist (Abbildung 23). An eine Nadelspitze wird eine Hochspannung angelegt. Wird eine Kerze in die Nähe der Spitze gebracht, neigt sich die Flamme von der Spitze weg, sie kann sogar „ausgeblasen“ werden. 29

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