Wissenschaftler der Northwestern University glauben, das Rätsel um statische Elektrizität endlich gelöst zu haben. Jeder kennt das Phänomen: Du läufst mit Socken über den Teppich, streichelst deinen Hund oder reibst einen Ballon an deinen Haaren – und plötzlich ist da dieser elektrische Effekt. Laut einer neuen Studie liegt das an winzigen Verformungen auf der Oberfläche von Objekten, die durch das Reiben entstehen.
Die Menschheit kennt statische Elektrizität bereits seit Jahrtausenden. Der griechische Philosoph Thales von Milet dokumentierte um 600 v. Chr. als Erster, dass Fell nach dem Reiben mit Bernstein Staub anzieht. Seitdem wissen wir, dass viele Faktoren statische Elektrizität verursachen können. Sogar Tiere machen sich diesen Effekt zunutze – etwa Zecken, die dank statischer Ladung leichter an ihre Wirte gelangen. Doch bis heute waren viele Grundlagen dieses Phänomens ungeklärt, besonders warum Reibung so oft zu elektrischer Ladung führt. Vielleicht hat sich das nun geändert.
Die entscheidende Erkenntnis: Warum Reibung wirklich zählt
„Zum ersten Mal können wir ein Rätsel erklären, das bisher niemand wirklich lösen konnte: warum Reibung überhaupt eine Rolle spielt“, sagt der leitende Forscher Laurence Marks, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Northwestern University. „Bisher gab es zwar Theorien, aber keine konnte die experimentellen Ergebnisse ohne unbegründete Annahmen erklären. Jetzt können wir es – und die Antwort ist verblüffend einfach.“
Das klassische Beispiel für statische Elektrizität kennt jeder: Reibt man einen Ballon an den Haaren, bleiben sie an ihm kleben. Dahinter steckt ein simpler physikalischer Effekt: Unterschiedliche Materialien haben verschiedene elektrische Eigenschaften. Beim Reiben gibt ein Objekt (zum Beispiel Haare) Elektronen ab und wird positiv geladen, während das andere (der Ballon) Elektronen aufnimmt und negativ geladen wird. Kommen beide wieder in Kontakt, springen die Elektronen über – das erklärt auch, warum man nach dem Gehen auf einem Teppich beim Berühren einer Metalltür einen kleinen Stromschlag bekommt.
Doch es gibt ein Problem mit dieser simplen Theorie: Auch das Reiben zweier identischer Materialien kann statische Ladung erzeugen. Eine frühere Erklärung besagte, dass unterschiedlich große Teile desselben Materials unterschiedlich geladen werden können, doch neuere Forschungen haben diese Idee widerlegt.
Die neue Theorie: Elastische Verformung als Schlüssel
Die neue Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht wurde, liefert nun eine neue Erklärung. Bereits 2019 zeigte Marks’ Team, dass das bloße Reiben zweier Materialien winzige Verformungen auf deren Oberfläche verursacht, wodurch Spannung entsteht. Jetzt konnten sie genau berechnen, wie diese Verformungen zu statischer Elektrizität führen.
Entscheidend ist dabei ein Effekt namens elastische Scherung – das beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen das Gleiten entlang einer Oberfläche. Ein gutes Beispiel dafür ist das Rutschen mit Socken auf einem glatten Boden: Irgendwann kommt man zum Stillstand, weil die Scherung die Bewegung abbremst. Marks’ Team argumentiert, dass durch die zunehmende Reibung die Vorder- und Rückseite eines Objekts unterschiedlich verformt werden und entgegengesetzte Ladungen tragen. Das führt dann zur statischen Elektrizität – ähnlich wie der unterschiedliche Luftdruck über und unter den Flügeln eines Flugzeugs Auftrieb erzeugt.
Die Forschung blüht auf
„2019 hatten wir die Grundidee, was passiert. Aber wie alle Ideen brauchte sie Zeit zum Wachsen“, erklärt Marks. „Jetzt hat sie sich voll entfaltet. Wir haben ein neues Modell entwickelt, das den elektrischen Strom berechnet. Die Werte stimmen mit experimentellen Ergebnissen überein.“
Natürlich müssen andere Forscher die Ergebnisse erst bestätigen, und diese Theorie erklärt nicht jede Form von statischer Elektrizität. Dennoch ist sie ein großer Schritt nach vorn. Und es zeigt: Auch in der modernen Wissenschaft gibt es noch alltägliche Rätsel zu lösen – und immer wieder Neues zu entdecken.
