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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubrik: "Schlichting! "

Elektrisierender Sand

In: H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 5 (2017), S. 64 – 65

Ist etwa die Luft so elektrisch,
wie die See salzig ist?
Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

Sandkörner in einem Sturm können sich bei Zusammenstößen gegenseitig aufladen und starke elektrische Felder erzeugen.

„Der Elektriker Siemens bestieg einmal die Cheopspyramide, schon unterwegs hatten ihm die Gesichter seiner Begleiter nicht gefallen. Oben blieb wenig Zeit, die Aussicht zu bewundern, denn die Beduinen griffen zur Pistole, plünderten Siemens aus. Aber dieser, dem schon lange die elektrische Ladung der Wüstenluft aufgefallen war, warf in höchster Schlauheit seinen Gummimantel unter die Füße, hob den durchnäßten Finger in die Luft und senkte ihn, gerade als der Scheich vor ihm stand, langsam auf dessen Nasenspitze. Ein Funke fuhr aus der lebenden Leidner Flasche hinüber. Die Beduinen rannten schreiend davon …“ So beschrieb der Philosoph Ernst Bloch (1885–1977) ein Erlebnis des Erfinders und Industriellen Werner von Siemens (1816–1892). Ganz so wird es sich kaum zugetragen haben, doch wenn man von den Ausschmückungen absieht, hat der Bericht einen wahren Kern. Siemens selbst erzählt davon in „Poggendorff‘s Annalen der Physik und Chemie“, einem zur damaligen Zeit bedeutenden naturwissenschaftlichen Journal: „Dabei war ein leises, kaum auffallendes Prickeln der dem Winde entgegengerichteten Hautfläche des Fingers bemerkbar. Ich konnte diese von uns allen constatirte Thatsache nur als eine elektrische Erscheinung deuten, und als solche erwies sie sich auch in der That.“
Elektrische Felder durch Sandstürme, bei denen es mitunter zu starken Entladungen kommt, sind aus zahlreichen Reiseberichten bekannt. Durch Experimente etwa von Siemens‘ Zeitgenosse Michael Faraday weiß man, dass dabei Spannungen von mehreren Millionen Volt im Spiel sind. Es ist eine faszinierende Frage, wie ein an sich nicht leitender Stoff wie der profane und sprichwörtlich träge Sand solche drastischen Phänomene hervorrufen kann.
Spontane Aufladung ist nicht nur von Wüstenstürmen bekannt. Aschewolken bei Vulkanausbrüchen führen oft zu heftigen Gewittern. Entladungen zwischen in der Luft verteilten Partikeln führen auch in der industriellen Fertigung manchmal zu Staubexplosionen.
Die naturwissenschaftliche Forschung hat sich diesen Erscheinungen früh angenommen. Bis heute ist die Aufladung von granularen Medien jedoch nicht in allen Einzelheiten verstanden – noch immer erscheinen physikalische Publikationen dazu. Vor allem zwei gut dokumentierte Tatsachen fordern die Wissenschaftler nach wie vor heraus: Isolatoren transportieren große Ladungsmengen, obwohl sie definitionsgemäß keine freien Ladungsträger besitzen, und selbst identische Materialien wie die Sandkörner laden sich gegenseitig durch bloßen Kontakt auf.
Bei einem Wüstensturm gerät Sand in den Luftstrom, wird fortgetragen, schlägt auf den Untergrund, katapultiert neue Körner heraus und so weiter. Dabei kommt es zu zahlreichen Kollisionen. Die führen zur Aufladung, deren Verlauf und Stärke von mehreren Vorgängen abhängt.
Einerseits findet das permanente Bombardement in einem elektrischen Feld statt, das sich unter dem Einfluss der Sandkörnerdynamik aufschaukelt. Der Erdboden ist nämlich negativ gegenüber der Atmosphäre geladen. Durch das irdische Feld werden die vorhandenen Ladungsträger im an sich neutralen und nicht leitenden Sandkorn verschoben, sodass sie sich nicht mehr kompensieren, sondern in der unteren Hälfte eine positive und in der oberen eine negative Teilladung entsteht (siehe Illustration).
Andererseits kann sich die vorhandene Polarisation verstärken, wenn die Körner aufeinander prallen. Dann tauschen die kollidierenden Hälften ihre entgegengesetzte Ladung aus und neutralisieren sich. Anschließend kann das elektrische Feld erneut Ladungsträger verschieben. Das Teilchen, das eine positive Ladung übernommen hat, ist nunmehr in der unteren Hälfte zweifach positiv und in der oberen einfach negativ geladen. Das andere trägt in der oberen Hälfte zwei negative Ladungen und in der unteren eine positive. Natürlich treten in realen Situationen komplexere Konfigurationen und geometrische Verhältnisse auf, aber sie führen nicht zu wesentlich anderen Ergebnissen als in diesem einfachen Modell.
Ein solcher Ladungsübertrag kann bei jeder Kollision stattfinden. So werden im Endeffekt positive Ladungen mit dem Sand nach unten und negative nach oben gepumpt, und die Aufladung nimmt mit der Zahl der Stöße zu. Die positiven Ladungen in der Nähe des Erdbodens ziehen die dortigen negativen Ladungsträger an. Dadurch steigert sich deren Konzentration lokal, und das elektrische Feld zwischen Boden und Atmosphäre nimmt im Bereich des Sandsturms insgesamt zu. Das wiederum bewirkt eine umso ausgeprägtere Polarisation der einzelnen Körner.
Dieser Prozess kann nicht beliebig weiter gehen. Gleichartig geladene Teilchen stoßen sich ab. Um sich weiter anzunähern und somit aufzuladen, braucht der Sand mehr Bewegungsenergie, und diese wächst mit der mittleren Windgeschwindigkeit.
Da immer wieder Körner landen und sich neue von Boden lösen, ist das Ganze eher ein periodisches Geschehen, das zu einem insgesamt stationären Ladungszustand im Sandsturm führt. Die Forscher verstehen die einzelnen Mechanismen noch nicht im Detail. Insgesamt erscheint so jedoch erklärbar, wie heftige Sandstürme zu großen Ladungsdifferenzen führen können, die man sonst nur von Gewittern kennt, mit entsprechend gewaltigen Ausgleichsvorgängen – also Blitzen.
In eine solche Situation ist damals offenbar Siemens geraten. Er hat schnell begriffen, dass man in einem starken elektrischen Feld mit einfachen Mitteln so etwas wie einen Kondensator konstruieren kann. Indem er sich gegen den Boden isolierte und so ein Abfließen der Ladung von oben nach unten verhinderte, konnte er sie über einen geerdeten Menschen durch einen überspringenden Funken abführen. Sofern man diesen Teil der Geschichte glauben möchte.


Quellen

Bloch, E.: Spuren, S. 160. Suhrkamp, Frankfurt am Main, 1985

Siemens, W.: Beschreibung ungewöhnlich starker elektrischer Erscheinungen auf der Cheops-Pyramide bei Cairo während des Wehens des Chamsin. In: Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie 185, S. 355–359, 1860

Pähtz, T. et al.:. Why do particle clouds generate electric charges? In: Nature Physics 6, S. 364–368, 2010

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Diskussionen

7 Gedanken zu “Elektrisierender Sand

  1. Das ist sehr interessant, aber wie schützen sich dann die Beduinen vor dem elektrischen Sand, bestimmt nicht nur durch Verschleierung, oder doch?

    LG Babsi

    Verfasst von kunstschaffende | 3. Mai 2017, 13:58
    • Normalerweise spüren die gar nichts davon, denn solange sie nicht vom Boden isoliert sind (wie Siemens das mit seinem Gummiregenmantel tat), fließt die elektrische Ladung kontinuierlich zur Erde ab. Man muss schon isoliert sein, wenn man so stark aufgeladen werden will, bis man bei Berührung eines geerdeten Metallgegenstands den abfließenden Strom spürt. Die Verschleierung hat m.E. vor allem wärmetechnische Gründe. LG, Joachim.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Mai 2017, 17:19
  2. Ich hab mal eine Zeitlang in der Sahara gearbeitet. Bei einem enormen Sandsturm konnte ich dieses Phänomen der elektrischen Aufladung hautnah beobahten:
    Mein Fotoapparat gab den Geist auf, ebenso mein Radio. Und an der Messapparatur, die ich zu betreuen hatte, reparierte ich eineinhalb Tage lang, bis alles wieder lief.

    Verfasst von seescho | 5. Mai 2017, 22:30

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