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ELEKTROSTATISCHE AUFLADUNG BEIM STOß VON MIKROMETERPARTIKELN

Bei der Erforschung der protoplanetaren Staubaggregation wurden üblicherweise langreichweitige elektrostatische Kräfte nicht betrachtet. Es zeigte sich jedoch bereits bei den Stoßexperimenten zur Haftwahrscheinlichkeit, dass abprallende Partikel sich durch den Stoß so sehr aufladen können, dass sie zum ebenfalls geladenen Target zurückkehrten und letztlich hafteten.
Die elektrostatische Aufladung ist also bedeutsam für die Staubaggregation, da sie die Haftwahrscheinlichkeit beeinflusst. Ferner könnte die Dynamik der Partikel im entstehenden Sonnensystem wesentlich durh deren Ladung bestimmt werden, wenn heutige Vorstellungen über Magnetfelder im entstehenden Sonnensystem zugrunde gelegt werden. Dies wiederum beeinflusst die Stoßraten und Stoßgeschwindigkeiten der Partikel und somit auch letztlich den Staubaggregationsprozess.
In früherer astrophysikalischer Literatur war der Ladungsaustausch zwischen stoßenden Partikeln von Interesse, weil er für die Beurteilung wichtig ist, ob es zu großräumigen Ladungsansammlungen kommen kann, die sich ähnlich wie Blitze in irdischen Gewittern entladen könnten. Blitzartige Gasentladungen wiederum sind eine der vielen Hypothesen zur Erschmelzung meteoritischer Chondren.
Reibungselektrizität ist zwar eines der ältesten bekannten Phänomene der Physik, jedoch noch immer gibt es keine anerkannte Theorie dazu. Wichtig ist, es als einen Sammelbegriff für viele Formen des Ladungsaustauschs berührender Körper zu begreifen. Bemerkenswert ist auch, dass Annahmen in astrophysikalischer Literatur über den Ladungssausstausch stoßender Mikrometerpartikel unter vergleichbaren Bedingungen um mehr als drei Größenordnungen variierten. Ein Bedarf an Experimenten zur elektrostatischen Aufladung durch Reibungselektrizität unter kosmisch relevanten Bedingungen war somit erkennbar. Der Versuchsaufbau zur Untersuchung von Partikelstößen mit seinen optischen Methoden zur Beobachtung der Partikelflugbahn wurde so umgestaltet, dass die Stöße in einem elektrischen Feld stattfanden und dass aus der Ablenkung geladener Partikel vor und nach dem Stoß auf den Austausch von Ladung durch den individuellen Stoß geschlossen werden konnte. Aus einigen Materialpaarungen und Stoßgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s wurde eine typischerweise negative Aufladung von bis zu einigen 100 Elementarladungen gefunden, die am besten durch die empirische Beziehung

beschrieben wird, worin n die Anzahl der ausgetauschten Elementarladungen und E die Stoßenergie sind.
In einer weiteren Experimentserie wurden die Parameter auf eine größere Zahl von Materialpaarungen, höhere Stoßenergien und verschiedene Temperaturdifferenzen ausgedehnt, wobei nicht mehr die Messung des Ladungsaustauschs eines einzelnen Partikels mit dem Target bestimmt wurde, sondern stattdessen direkt die Ladung gemessen wurde, die durch einen Partikelstrahl beim Auftreffen auf ein Target getrennt wurde.
Es zeigte sich, dass die obige empirische Beziehung unter den meisten Versuchsbedingungen weiter gilt, womit in Anbetracht der hohen Stoßgeschwindigkeiten bis zu 100 m/s die mittlere Aufladung eines Mikrometerpartikels mehrere tausend Elementarladungen betragen kann. Da Stoßgeschwindigkeiten um 100 m/s zwischen Mikrometerpartikel und großen Körpern im entsthenden Sonnensystem nicht als untypisch gelten, wird die mögliche Bedeutung der elektrostatischen Aufladung für die eingangs genannten Prozesse noch deutlicher.
Ferner konnten Erkenntnisse über die wirksamen Ladungsübertragungsprozesse gewonnen werden, wobei sich eine temperaturbedingte Diffusion negativer Ladungsträger als wichtigster, wenngleich nicht einziger, Prozess des Ladungsaustauschs herausstellte.

 

Literatur:

T. Poppe, J. Blum, Th. Henning, Experiments on Collisional Grain Charging of Micron-sized Preplanetary Dust, Astrophys J. 533, 472-480, 2000.

T. Poppe, R. Schräpler, Further Experiments on Tribocharging of Cosmic Grains, Astronomy and Astrophysics, 2005, angenommen.

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Created by: D. Langkowski, 23.03.2001
Last modified: 28.07.2005