Statische Elektrizität

Durchschauen - Überwachen - Anwenden
1. Auflage 2019
ISBN: 978-3-527-41372-0
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 494 Seiten, Format (B × H): 177 mm x 251 mm, Gewicht: 1110 g

Verständnis und Kontrolle statischer Elektrizität sind von elementarer Bedeutung in vielen Industriezweigen, in erster Linie mit Blick auf die potentiellen Gefahren. Daher sind die Erkennung und Vermeidung von Gefahren durch statische Aufladungen immer wichtiger geworden und haben die Entwicklung neuer und präziser Messmethoden befördert. Andererseits können statische Aufladungen auch nutzbringend eingesetzt werden. Vielfältige Anwendungen werden beschrieben.

Statische Elektrizität ? Durchschauen ? Überwachen ? Anwenden informiert zunächst über Brand- und Explosionsgefahren. Entstehung von Aufladung und daraus resultierende Entladungserscheinungen werden veranschaulicht.
Ein großer Teil des Buches befasst sich mit Messtechnik, Vermeidung von Gefahren und Störungen sowie Beseitigung unerwünschter Aufladung. Fallstudien und Beschreibung von Demonstrationsexperimenten vermitteln den Bezug zur Praxis.
Ohne Normen geht es nicht; auch darüber wird berichtet. Der stetig zunehmenden Anwendung statischer Elektrizität ist ein eigenes Kapitel über den gezielten Einsatz von Aufladungen vorbehalten und soll die Kreativität der Leser anregen. Zu guter Letzt sind im Mathematischen Werkzeugkasten alle relevanten Formeln einsortiert.

* Praxisperspektive: geschrieben von Autoren mit langjähriger Forschungs- und Beratungserfahrung
* Durchblick: Beschreibung von Demonstrationsexperimenten zur besseren Veranschaulichung
* Fallstudien: aus den Fehlern Anderer lernen
* Zusatzmaterial: kurze Videos zeigen die - teils drastischen - Auswirkungen statischer Aufladungen

Autoren/Hrsg.

Lüttgens, Günter

Lüttgens, Sylvia

Schubert, Wolfgang

Emde, Stefan

Pidoll, Ulrich von

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Technik Allgemein Technische Zuverlässigkeit, Sicherheitstechnik
• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Elektrotechnik

Inhaltsverzeichnis

GRUNDWISSEN ZU BRAND UND EXPLOSION, GEFAHRENEINSCHÄTZUNG
Grundlegendes zu Brand- und Explosionsvorgängen
Explosionsgrenzen
Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen
Perspektive zur Gefahrenbeurteilung
Sicherheitstechnische Bewertung in Bezug auf elektrostatische Zündgefahren
Geräteschutzniveau (EPL)
Explosionsgefahren in den Griff bekommen
Zündquellenarten

ENTSTEHUNG ELEKTROSTATISCHER AUFLADUNGEN
Ursprung
Kraftwirkungen im elektrischen Feld
Aufladung infolge Kontakt und Trennung
Doppelschichtladung
Wovon hängt die Höhe der Aufladung ab?
Versuch einer Systematik
Aufladung strömender Gase
Aufladung disperser Systeme
Reduzierung der Aufladungstendenz
Elektrisches Feld
Influenz (auch "elektrostatische Induktion" genannt)
Kapazität und Kondensator
Aufladungsphänomene an Materialbahnen
Elektrete

MESSTECHNIK
Einleitende Überlegungen zu elektrostatischen Messungen
Gegenüberstellung: Elektrostatik -
Elektrotechnik
Elektrostatische Messungen soweit es Sicherheitsaspekte betrifft
Widerstand versus Leitfähigkeit
Oberflächenwiderstand und Volumenwiderstand
Beziehung zwischen Widerstandswerten und Aufladungseigenschaften
Leitfähigkeit von Flüssigkeiten
Messung von Kapazitäten
Faraday-Becher und -Käfig
Messung der Aufladung fallender Tropfen
Durchschlagspannung
Spannungsmessung mit statischen Voltmetern
Messung der elektrischen Feldstärke
Weitere messtechnische Anwendungen
Ladungszerfallmessung (Relaxationszeit)
Einflussgrößen
Ermittlung der Mindestzündenergie für brennbare Stäube
Ladungsverteilung sichtbar machen

ELEKTROSTATISCHE GASENTLADUNGEN UND VON IHNEN AUSGEHENDE GEFAHREN
Gasentladungen in der Elektrostatik
Gasentladungsarten
Auswirkungen von Gasentladungen
Wie lassen sich zündfähige Gasentladungen vermeiden?
Beurteilung der von Gasentladungen ausgehenden Zündgefahren
Aus Gasentladungen resultierende Schäden
Auswirkungen der Elektrizität auf den menschlichen Organismus
Mechanisch erzeugte Funken

BESEITIGUNG STÖRENDER AUFLADUNGEN
Ladungsverteilung
Passive Entladung
Aktive Entladung
Entladung störend aufgeladener Oberflächen
Mögliche Gefahren durch Entladeelektroden
Entladung in Unterdruckverhältnissen

BESCHREIBUNG VON DEMONSTRATIONSEXPERIMENTEN
Vorbemerkungen
Erforderliche Geräte
Elektrostatische Kraftwirkungen
Trennaufladung
Aufladung von Partikeln
Influenz
Ableitfähigkeit
Experimente mit dem Knallrohr
Gasentladungen
Brand- und Explosionsgefahren

FALLSTUDIEN ZU ELEKTROSTATISCH BEDINGTEN UNFÄLLEN -
UNTERSUCHUNGSSTRATEGIEN
Gut zu wissen
Untersuchungsstrategie
Zündungen infolge von Büschelentladungen
Zündungen infolge von Gleitstielbüschelentladungen
Zündungen infolge von Funkenentladungen
Zündung infolge von Schüttkegelentladungen
Merkwürdigkeit an einem Metallrohr beim Ausfließen einer Flüssigkeit

GEZIELTER EINSATZ VON AUFLADUNGEN
Nutzanwendungen
Beispiele kreativer Umsetzung zu Nutzanwendungen
Zusammenfassung

NORMUNG IM FACHGEBIET ELEKTROSTATIK, NATIONAL, EUROPÄISCH UND INTERNATIONAL
Was ist Normung? -
Warum brauchen wir Normung?
Wer macht Normung?
Bedeutung von Normen
Normung in der Elektrostatik
Liste der gängigsten Abkürzungen im Normungsumfeld der IEC
Auffinden von Normen und Literatur
Anmerkung

MATHEMATISCHER WERKZEUGKASTEN
Permittivität
Ladung Q
Spannung U
Homogenes Feld zwischen ebenen Platten
Kapazität C
Widerstand -
Leitfähigkeit
Feldkonstanten (Vakuum)

ANHÄNGE

Geleitwort v

Danksagung xv

Liste der Autoren xvii

Vorbemerkungen xxi

1 Grundwissen zu Brand und Explosion, Gefahreneinschatzung 1

1.1 Grundlegendes zu Brand- und Explosionsvorgangen 1

1.2 Explosionsgrenzen 6

1.2.1 Explosionsgrenze bei Gasen 6

1.2.2 Flammpunkt 6

1.2.3 Mindestzündenergie 10

1.2.4 Explosionsgrenze bei Stauben 12

1.2.5 Einteilung in Explosionsgruppen 13

1.3 Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen 13

1.3.1 Zündgefahr durch Büschelentladungen 14

1.3.2 Hybridgemische 14

1.4 Perspektive zur Gefahrenbeurteilung 15

1.5 Sicherheitstechnische Bewertung in Bezug auf elektrostatische Zündgefahren 17

1.5.1 Anforderungen an Arbeitsmittel (Auszug aus BetrSichV [6]) 17

1.5.2 Einteilung explosionsgefahrdeter Bereiche in Gefahrenzonen 17

1.6 Gerateschutzniveau (EPL) 19

1.6.1 Geratekategorien 20

1.6.2 Zusammenfassung 21

1.7 Explosionsgefahren in den Griff bekommen 21

1.7.1 Primarer Explosionsschutz 21

1.7.2 Sekundarer Explosionsschutz 22

1.7.3 Tertiarer (konstruktiver) Explosionsschutz 22

1.8 Zündquellenarten 23

2 Entstehung elektrostatischer Aufladungen 27

2.1 Ursprung 27

2.2 Kraftwirkungen im elektrischen Feld 29

2.3 Aufladung infolge Kontakt und Trennung 30

2.4 Doppelschichtladung 30

2.5 Wovon hangt die Höhe der Aufladung ab? 33

2.6 Versuch einer Systematik 35

2.7 Aufladung strömender Flüssigkeiten 38

2.7.1 Aufladung von Flüssigkeiten beim Zerstauben (Atomisieren) 39

2.8 Aufladung strömender Gase 40

2.9 Aufladung disperser Systeme 42

2.10 Reduzierung der Aufladungstendenz 43

2.10.1 Verringerung des elektrischen Widerstandes 43

2.10.2 Leitfahigkeit und Aufladung bei Flüssigkeiten 44

2.10.3 Einfluss der Oberflachenstruktur bei festen Stoffen 46

2.11 Elektrisches Feld 46

2.11.1 Feldlinien 46

2.11.2 Aquipotentiallinien und -flachen 48

2.11.3 Feldstarke 50

2.11.4 Gefahren durch elektrostatische Felder? 50

2.12 Influenz (auch „elektrostatische Induktion“ genannt) 50

2.12.1 Aufladung einer Person durch Influenz 53

2.12.2 Bildladung (auch Spiegelladung genannt) 54

2.12.3 Influenzmaschine 55

2.12.4 Kelvin’scher Wassertropfengenerator 56

2.13 Kapazitat und Kondensator 57

2.14 Aufladungsphanomene an Materialbahnen 58

2.14.1 Entstehungsmechanismen 58

2.15 Elektrete 65

3 Messtechnik 69

3.1 Einleitende Überlegungen zu elektrostatischen Messungen 69

3.2 Gegenüberstellung: Elektrostatik – Elektrotechnik 72

3.3 Elektrostatische Messungen soweit es Sicherheitsaspekte betrifft 73

3.4 Widerstand versus Leitfahigkeit 74

3.5 Oberflachenwiderstand und Volumenwiderstand 74

3.5.1 Widerstand im Materialinnern oder an der Oberflache? 75

3.5.2 Messung des elektrischen Widerstandes an festen Objekten 77

3.5.3 Messspannungen – Messelektroden 78

3.5.4 Oberflachenwiderstand, Elektroden und Messschaltung 81

3.5.5 Volumenwiderstand, Elektroden und Messschaltung 83

3.5.6 Erdableitwiderstand 84

3.5.7 Elektroden zur Widerstandsmessung an Pulvern (Stauben, Schüttgütern) 85

3.6 Beziehung zwischen Widerstandswerten und Aufladungseigenschaften 86

3.6.1 Reib-Trenn-Apparatur zur Erzeugung reproduzierbarer Aufladungen 86

3.6.2 Übertragene Ladung 87

3.7 Leitfahigkeit von Flüssigkeiten 95

3.7.1 Widerstand von Schüttgütern 97

3.7.2 Ladungsrelaxation bei Flüssigkeiten und Pulvern (Schüttgüter) 98

3.8 Messung von Kapazitaten 98

3.8.1 Messung der Kapazitat (Aufladeverfahren) 100

3.8.2 Messung der Permittivitatszahl 101

3.9 Faraday-Becher und -Kafig 101

3.9.1 Faraday-Becher bzw. -Zylinder 101

3.9.2 Faraday-Kafig 101

3.10 Messung der Aufladung fallender Tropfen 102

3.11 Durchschlagspannung 104

3.12 Spannungsmessung mit statischen Voltmetern 104

3.13 Messung der elektrischen Feldstarke 105

3.13.1 Influenz-Elektrofeldmeter 106

3.13.2 Weitere Anwendungen für Influenz-Elektrofeldmeter 115

3.14 Weitere messtechnische Anwendungen 118

3.14.1 Oberflachenladungsmessung an bewegten Bahnen 118

3.14.2 Prüfung elektrostatisch ableitfahiger Schutzkleidung 119

3.14.3 Prüfverfahren zur Bestimmung der Ableitfahigkeit 121

3.14.4 Aufladung pulverförmiger Schüttgüter 123

3.14.5 Aufladung bei Flüssigkeiten 124

3.14.6 Ermittlung der Staubaufladung beim Versprühen 124

3.15 Ladungszerfallmessung (Relaxationszeit) 126

3.16 Einflussgrößen 129

3.16.1 Temperatur 130

3.16.2 Feuchtigkeit 131

3.16.3 Elektrostatische Störgrößen 135

3.17 Ermittlung der Mindestzündenergie für brennbare Staube 136

3.18 Ladungsverteilung sichtbar machen 138

3.19 Bild-Nachweise 141

4 Elektrostatische Gasentladungen und von ihnen ausgehende Gefahren 143

4.1 Gasentladungen in der Elektrostatik 144

4.1.1 Entladungsmechanismus 144

4.1.2 Verlauf einer elektrostatischen Gasentladung 145

4.2 Gasentladungsarten 148

4.2.1 Funkenentladungen 149

4.2.2 Gasentladungen, ausgehend von einer Elektrode 151

4.2.3 Gleitentladung 156

4.2.4 Gewitterblitzentladung 164

4.3 Auswirkungen von Gasentladungen 171

4.3.1 Auflistung der von Gasentladungen verursachten Spuren 171

4.3.2 Zusammenfassung 172

4.4 Wie lassen sich zündfahige Gasentladungen vermeiden? 172

4.4.1 Funkenentladungen 172

4.4.2 Coronaentladungen 173

4.4.3 Büschelentladungen 173

4.4.4 Schüttkegelentladungen 173

4.4.5 Gleitstielbüschelentladungen 173

4.5 Beurteilung der von Gasentladungen ausgehenden Zündgefahren 174

4.5.1 Übersicht zu auf Erfahrungen beruhenden Schutzmaßnahmen 176

4.5.2 W

Über Autor(innen)

Günter Lüttgens praktiziert Forschung und Lehre auf dem Gebiet der industriellen Elektrostatik, insbesondere im Hinblick auf die davon ausgehenden Gefahren und Störungen.

Wolfgang Schubert ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für die Druckindustrie und unabhängiger Sachverständiger für Elektrostatik.

Sylvia Lüttgens hat es sich zur Aufgabe gemacht, die in der Elektrostatik mitunter schwierig zu durchschauenden Zusammenhänge mit Demonstrationsexperimenten zu veranschaulichen.

Dr. Ulrich von Pidoll arbeitete bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und ist in mehreren nationalen und internationalen Ausschüssen tätig, die sich mit den Gefahren durch elektrostatische Aufladung befassen.

Stefan Emde ist führendes Mitglied in der Deutschen Kommission Elektrotechnik des Vereins Deutscher Elektroingenieure.