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Technik im Physikunterricht - Technische Universität Braunschweig

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Warum entladen sich die

Warum entladen sich die Stellen auf der Walze, die vom Laserlicht getroffen werden? Es wurde schon erwähnt, dass die dünne Halbleiterschicht auf der Walze fotoleitend ist. (Analogversuch mit LDR s. Abbildung 26) Nur im Dunkeln ist sie nichtleitend und hält die positiven und negativen Ladungen auf ihren beiden Seiten getrennt (vgl. Abbildung 24). Wird die Schicht beleuchtet, dann nimmt ihr Widerstand ab. Die negativen Ladungen auf der Oberseite der Schicht können dann zur Unterseite fließen und die dort befindliche positive Ladung neutralisieren (Abbildung 27). Nach der Belichtung durch den Laser befindet sich auf der Walze also ein (inverses) „Bild aus Elektronen“. Dieses Bild ist nicht sichtbar. Das Sichtbarmachen übernimmt nun der Toner. Abbildung 27: Bei Bestrahlung mit Licht wird die fotoleitende Schicht leitend, und die Elektronen wandern zur positiven Ladung f) Ladungsbild und Toner Um das Ladungsbild auf dem Papier sichtbar werden zu lassen, braucht man Toner. Jeder weiß, dass es sich um ein feines schwarzes Pulver handelt, über dessen Mangel sich Kopierer gerne beklagen. Kaum jemand weiß jedoch, dass es sich bei gutem Toner um ein echtes High- Tech-Produkt mit maßgeschneiderten elektrostatischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften handelt. Feines schwarzes Pulver zu erzeugen ist einfach. Wenn Sie schon einmal einen Kuchenteig gerührt haben, wissen Sie aber, dass feine Pulver wie Mehl es lieben, sich überall gleichmäßig zu verteilen und eine Riesenschweinerei anzurichten. Das soll mit dem Toner im Laserdrucker lieber nicht passieren. Die technologische Herausforderung besteht darin, den Toner dazu zu bringen, genau an den richtigen Stellen zu haften und nirgendwo sonst. Um die Schwierigkeit dieses Unterfangens zu würdigen, muss man nur die Stichworte Temperatur und Luftfeuchtigkeit erwähnen und an die Erfahrungen, die man mit Schulversuchen der Elektrostatik hat. Die elektrostatischen Vorgänge in einem Laserdrucker oder Kopierer sollen aber zuverlässig in einer ungeheizten Hütte in Finnland ebenso ablaufen wie im schwülwarmen Klima eines indonesischen Hinterzimmers. Damit im Laserdrucker ein Bild auf dem Papier erzeugt wird, muss man, kurz gesagt, den Toner dazu bringen, sich auf diejenigen Stellen der Walze zu setzen, die ladungsfrei geblieben sind. Dann muss man das Papier in Kontakt mit der Walze bringen und dafür sorgen, dass der Toner nun nicht mehr an der Walze, sondern am Papier haftet. Die Elektrostatik erklärt auch bei diesen Vorgängen die wesentlichen Abläufe. 32

Abbildung 28: Wegen der elektrostatischen Abstoßung setzen sich die negativ geladenen Tonerteilchen nicht an die ebenfalls negativ geladenen Stellen der Walze Die einzelnen Tonerteilchen laden sich nämlich negativ auf, bevor sie auf die Walze aufgebracht werden. Zwischen den negativ geladenen Tonerteilchen und den negativ geladenen Stellen auf der Walze wirken abstoßende elektrostatische Kräfte, so dass sich die Tonerteilchen nur auf die ladungsfreien (d. h. vom Laser vorher belichteten) Stellen der Walze setzen (Abbildung 28). An den Stellen auf der Trommel, wo keine Ladungen sind, sitzt nun der Toner; die geladenen Stellen bleiben tonerfrei. Das heißt: Der Toner befindet sich nun genau dort, wo wir ihn haben wollen, nämlich an den Stellen, die später im Druck dunkel werden sollen. Aus dem inversen Ladungsbild ist auf der Walze ein Tonerbild entstanden, das jetzt noch aufs Papier gebracht werden muss. Im oben erwähnten „write-white“-Verfahren ist das Endergebnis das gleiche, aber der Ablauf ein anderer. Auch hier wird die Walze ganz negativ aufgeladen. Der Laser belichtet aber diejenigen Stellen, die später weiß bleiben sollen. Das Ladungsbild auf der Walze entspricht bei diesem Verfahren also den später schwarzen Stellen. Anders als beim beschriebenen „writeblack“-Verfahren wird nun positiv geladener Toner auf die Walze gebracht, der aufgrund der elektrostatischen Anziehung an den negativ geladenen Stellen der Walze haften bleibt. Also auch bei diesem Verfahren gilt: Aus dem Ladungsbild auf der Walze entsteht ein Tonerbild, das aufs Papier übertragen wird. Im Druckbild erzeugt das „write-white“-Verfahren dunklere schwarze Bereiche, während „write-black“-Drucker genauere Details drucken. Abbildung 29: Tonerpartikel (Quelle: http://www.schwarz-auf-weiss.de/PDF/EA_Toner.pdf) Bevor wir zum abschließenden Schritt kommen, soll zuerst noch geklärt werden, wie der Toner eigentlich aufgeladen wird. Mit dieser Frage können wir einen weiteren Bereich der Elektrostatik ansprechen, nämlich die Kontaktelektrizität. Wenn man zwei unterschiedliche Materialien in Berührung bringt, kann eine Ladungstrennung stattfinden, so dass die Materialien sich unterschiedlich aufladen (vgl. Katzenfell-Versuch). Dem Toner widerfährt das gleiche wie dem Katzenfell: Er lädt sich durch Kontakt auf. 33

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