Aufladung hüpfender Goldkügelchen

Berühren und trennen sich zwei Objekte, können sich elektrische Spannungen aufbauen – ein Effekt, der etwa in Gewitterwolken auftritt oder Haare in alle Richtungen abstehen lässt, wenn man einen Luftballon an ihnen reibt. Zwischen Isolatoren lässt dieses Phänomen sogar Spannungen von mehreren tausend Volt entstehen. Doch auch zwischen elektrisch leitenden Metallen kann diese sogenannte Kontaktelektrizität auftreten, allerdings mit viel geringeren Spannungen. Den genauen Ablauf der Aufladung untersuchte nun eine Forschergruppe mit einem ausgeklügelten Experiment. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten die Wissenschaftler, wie elektrische Ladungen zwischen winzigen Kügelchen aus Gold und einer Fläche aus Kupfer wandern.

Experiment zur Messung der Kontaktelektrizität

In ihren Experimenten ließen die Physiker um Rolf Möller von der Universität Duisburg-Essen Goldkügelchen von nur einem Millimeter Durchmesser zunächst auf eine glatte Kupferplatte fallen. Bei diesem Aufprall gingen elektrische Ladungen aus der Platte auf das Goldkügelchen über. Außerdem diente die Kupferplatte dazu, die Menge der übertragenen Ladungen zu messen. Dank eines eigens entwickelten elektronischen Verstärkers konnten die Forscher bereits sehr geringe elektrische Aufladungen auf einer Zeitskala von Mikrosekunden messen. Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftler die aufgebaute Spannung des Goldkügelchens abhängig von der Fallhöhe.

Es zeigte sich, dass die Goldkügelchen nach dem Fall mehrfach auf der Kupferfläche hüpften, wobei die Fallhöhe jeweils abnahm. Bei jedem Aufprall, der gerade einmal sechs bis acht Millionstel Sekunden dauerte, wurden die Kügelchen negativ aufgeladen. Fielen sie aus einer Höhe von vier Zentimetern, wiesen Möller und seine Kollegen Spannungen von zehn Volt nach – ein ungewöhnlich hoher Wert für die Kontaktelektrizität zwischen zwei Metallen. Jedoch nahm die gemessene Spannung mit niedrigerer Fallhöhe ab. Diesen Effekt führten die Forscher auf die Kontaktfläche zwischen dem Goldkügelchen und der Kupferplatte zurück: Fällt das Kügelchen aus geringerer Höhe, ist es beim Aufprall langsamer und es verformt sich weniger. Demnach wird auch die Kontaktfläche geringer, sodass weniger Ladungen auf das Kügelchen übergehen.

Dieses Experiment bietet einen detaillierteren Einblick in ein bereits seit Jahrtausenden bekanntes Phänomen. Es belegt, welch extrem kurzer Kontakt zwischen zwei verschiedenen Materialien ausreicht, um eine elektrische Spannung aufzubauen.