Statische Elektrizität

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.

• Geleitwort vDanksagung xvListe der Autoren xviiVorbemerkungen xxi1 Grundwissen zu Brand und Explosion, Gefahreneinschatzung 11.1 Grundlegendes zu Brand- und Explosionsvorgangen 11.2 Explosionsgrenzen 61.2.1 Explosionsgrenze bei Gasen 61.2.2 Flammpunkt 61.2.3 Mindestzündenergie 101.2.4 Explosionsgrenze bei Stauben 121.2.5 Einteilung in Explosionsgruppen 131.3 Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen 131.3.1 Zündgefahr durch Büschelentladungen 141.3.2 Hybridgemische 141.4 Perspektive zur Gefahrenbeurteilung 151.5 Sicherheitstechnische Bewertung in Bezug auf elektrostatische Zündgefahren 171.5.1 Anforderungen an Arbeitsmittel (Auszug aus BetrSichV [6]) 171.5.2 Einteilung explosionsgefahrdeter Bereiche in Gefahrenzonen 171.6 Gerateschutzniveau (EPL) 191.6.1 Geratekategorien 201.6.2 Zusammenfassung 211.7 Explosionsgefahren in den Griff bekommen 211.7.1 Primarer Explosionsschutz 211.7.2 Sekundarer Explosionsschutz 221.7.3 Tertiarer (konstruktiver) Explosionsschutz 221.8 Zündquellenarten 232 Entstehung elektrostatischer Aufladungen 272.1 Ursprung 272.2 Kraftwirkungen im elektrischen Feld 292.3 Aufladung infolge Kontakt und Trennung 302.4 Doppelschichtladung 302.5 Wovon hangt die Höhe der Aufladung ab? 332.6 Versuch einer Systematik 352.7 Aufladung strömender Flüssigkeiten 382.7.1 Aufladung von Flüssigkeiten beim Zerstauben (Atomisieren) 392.8 Aufladung strömender Gase 402.9 Aufladung disperser Systeme 422.10 Reduzierung der Aufladungstendenz 432.10.1 Verringerung des elektrischen Widerstandes 432.10.2 Leitfahigkeit und Aufladung bei Flüssigkeiten 442.10.3 Einfluss der Oberflachenstruktur bei festen Stoffen 462.11 Elektrisches Feld 462.11.1 Feldlinien 462.11.2 Aquipotentiallinien und -flachen 482.11.3 Feldstarke 502.11.4 Gefahren durch elektrostatische Felder? 502.12 Influenz (auch „elektrostatische Induktion“ genannt) 502.12.1 Aufladung einer Person durch Influenz 532.12.2 Bildladung (auch Spiegelladung genannt) 542.12.3 Influenzmaschine 552.12.4 Kelvin’scher Wassertropfengenerator 562.13 Kapazitat und Kondensator 572.14 Aufladungsphanomene an Materialbahnen 582.14.1 Entstehungsmechanismen 582.15 Elektrete 653 Messtechnik 693.1 Einleitende Überlegungen zu elektrostatischen Messungen 693.2 Gegenüberstellung: Elektrostatik – Elektrotechnik 723.3 Elektrostatische Messungen soweit es Sicherheitsaspekte betrifft 733.4 Widerstand versus Leitfahigkeit 743.5 Oberflachenwiderstand und Volumenwiderstand 743.5.1 Widerstand im Materialinnern oder an der Oberflache? 753.5.2 Messung des elektrischen Widerstandes an festen Objekten 773.5.3 Messspannungen – Messelektroden 783.5.4 Oberflachenwiderstand, Elektroden und Messschaltung 813.5.5 Volumenwiderstand, Elektroden und Messschaltung 833.5.6 Erdableitwiderstand 843.5.7 Elektroden zur Widerstandsmessung an Pulvern (Stauben, Schüttgütern) 853.6 Beziehung zwischen Widerstandswerten und Aufladungseigenschaften 863.6.1 Reib-Trenn-Apparatur zur Erzeugung reproduzierbarer Aufladungen 863.6.2 Übertragene Ladung 873.7 Leitfahigkeit von Flüssigkeiten 953.7.1 Widerstand von Schüttgütern 973.7.2 Ladungsrelaxation bei Flüssigkeiten und Pulvern (Schüttgüter) 983.8 Messung von Kapazitaten 983.8.1 Messung der Kapazitat (Aufladeverfahren) 1003.8.2 Messung der Permittivitatszahl 1013.9 Faraday-Becher und -Kafig 1013.9.1 Faraday-Becher bzw. -Zylinder 1013.9.2 Faraday-Kafig 1013.10 Messung der Aufladung fallender Tropfen 1023.11 Durchschlagspannung 1043.12 Spannungsmessung mit statischen Voltmetern 1043.13 Messung der elektrischen Feldstarke 1053.13.1 Influenz-Elektrofeldmeter 1063.13.2 Weitere Anwendungen für Influenz-Elektrofeldmeter 1153.14 Weitere messtechnische Anwendungen 1183.14.1 Oberflachenladungsmessung an bewegten Bahnen 1183.14.2 Prüfung elektrostatisch ableitfahiger Schutzkleidung 1193.14.3 Prüfverfahren zur Bestimmung der Ableitfahigkeit 1213.14.4 Aufladung pulverförmiger Schüttgüter 1233.14.5 Aufladung bei Flüssigkeiten 1243.14.6 Ermittlung der Staubaufladung beim Versprühen 1243.15 Ladungszerfallmessung (Relaxationszeit) 1263.16 Einflussgrößen 1293.16.1 Temperatur 1303.16.2 Feuchtigkeit 1313.16.3 Elektrostatische Störgrößen 1353.17 Ermittlung der Mindestzündenergie für brennbare Staube 1363.18 Ladungsverteilung sichtbar machen 1383.19 Bild-Nachweise 1414 Elektrostatische Gasentladungen und von ihnen ausgehende Gefahren 1434.1 Gasentladungen in der Elektrostatik 1444.1.1 Entladungsmechanismus 1444.1.2 Verlauf einer elektrostatischen Gasentladung 1454.2 Gasentladungsarten 1484.2.1 Funkenentladungen 1494.2.2 Gasentladungen, ausgehend von einer Elektrode 1514.2.3 Gleitentladung 1564.2.4 Gewitterblitzentladung 1644.3 Auswirkungen von Gasentladungen 1714.3.1 Auflistung der von Gasentladungen verursachten Spuren 1714.3.2 Zusammenfassung 1724.4 Wie lassen sich zündfahige Gasentladungen vermeiden? 1724.4.1 Funkenentladungen 1724.4.2 Coronaentladungen 1734.4.3 Büschelentladungen 1734.4.4 Schüttkegelentladungen 1734.4.5 Gleitstielbüschelentladungen 1734.5 Beurteilung der von Gasentladungen ausgehenden Zündgefahren 1744.5.1 Übersicht zu auf Erfahrungen beruhenden Schutzmaßnahmen 1764.5.2 Wechselbeziehungen zwischen Materialien und Gasentladungen 1764.5.3 Bewertung mithilfe von Regelwerken 1764.6 Aus Gasentladungen resultierende Schaden 1764.6.1 Schaden durch Ozon 1784.6.2 Anschmutzung 1784.6.3 Schmelzspuren auf Polymeren 1794.6.4 Schmelzspuren auf Metallen 1794.6.5 Perforationen an Polymeren 1794.6.6 Poren an emaillierten Behaltern 1794.6.7 Vorbelichtung fotografischen Materials 1804.6.8 Schaden an Lagerungen von Wellen 1814.7 Auswirkungen der Elektrizitat auf den menschlichen Organismus 1814.7.1 Gefahrdung durch Netzwechselstrom 1824.7.2 Gefahrdung durch statische Elektrizitӓt 1824.8 Mechanisch erzeugte Funken 1834.8.1 Begriffsbestimmung 1844.8.2 Experimentelle Vorgehensweise 1854.8.3 Kohlenstoffexplosionen 1864.8.4 Bürgerliche Nutzanwendung 1874.8.5 Abgrenzung der Zündgefahr 1874.8.6 Aluminothermische Reaktion 1884.8.7 Regeln für explosionsgefahrdete Bereiche 1884.8.8 Ausblick 1895 Beseitigung störender Aufladungen 1935.1 Ladungsverteilung 1935.2 Passive Entladung 1955.2.1 Untersuchungen zur Coronaeinsatzspannung in Abhangigkeit von Abstand und Art der passiven Entladeelektrode 1985.2.2 Messaufbau zur Messung der Coronaeinsatzspannung in Abhangigkeit von Abstand und Art der passiven Entladeelektrode 2055.2.3 Ergebnisse der Messungen an passiven Entladeelektroden 2055.3 Aktive Entladung 2115.3.1 Hochspannungsversorgung für aktive Entladeelektroden 2115.3.2 Funktionsweise aktiver Entladeelektroden 2125.4 Entladung störend aufgeladener Oberflachen 2155.4.1 Entladung an Materialbahnen 2155.4.2 Entladung an bogenförmigen Materialien 2275.4.3 Entladung von sonstigen Objekten 2295.4.4 Entladung von Granulat und Vergleichbarem 2315.5 Mögliche Gefahren durch Entladeelektroden 2345.6 Entladung in Unterdruckverhaltnissen 2366 Beschreibung von Demonstrationsexperimenten 2416.1 Vorbemerkungen 2436.2 Erforderliche Gerate 2446.2.1 Statisches Voltmeter 2446.2.2 Feldstarkemessgerat 2456.2.3 Bandgenerator 2456.2.4 Knallrohr 2466.3 Elektrostatische Kraftwirkungen 2476.3.1 Rollende Röhren 2486.3.2 Schwebende Röhren 2496.3.3 Elektroskop 2506.3.4 Darstellung elektrischer Feldlinien auf klassische Weise 2506.4 Trennaufladung 2526.5 Aufladung von Partikeln 2536.5.1 Aufladung einzelner Partikel 2536.5.2 Aufladung vieler Partikel (Granulat) 2556.6 Influenz 2566.6.1 Grundlegender Versuch 2566.6.2 Elektrostatisches Glockenspiel 2576.6.3 Praxisversuche zur Influenz 2586.7 Ableitfahigkeit 2596.8 Experimente mit dem Knallrohr 2616.8.1 Personenaufladung 2616.8.2 Zündspannung 2626.9 Gasentladungen 2636.9.1 Funkenentladung 2646.9.2 Coronaentladung 2646.9.3 Buschelentladung 2656.9.4 Zundung durch Büschelentladungen (Modellexperiment) 2666.9.5 Nachweis des Ionenwindes 2676.9.6 Superbüschelentladung 2676.9.7 Gleitstielbüschelentladung 2686.10 Brand- und Explosionsgefahren 2716.10.1 Flammpunkt 2716.10.2 Effekte bei großen Oberflachen 2726.10.3 Fettes Gemisch 2736.10.4 Fortschreitende Flammenfront 2746.10.5 „Umgießen“ von Benzindӓmpfen 2756.10.6 Sauerstoffbedarf 2766.10.7 Löschen mitWasser 2776.10.8 Brennendes Baumwolltuch verbrennt nicht 2786.10.9 Entflammen fester Brennstoffe 2787 Fallstudien zu elektrostatisch bedingten Unfallen – Untersuchungsstrategien 2817.1 Gut zu wissen 2817.1.1 Erdung 2827.1.2 Erdung kleiner Objekte 2837.1.3 Erdung eigensicherer Stromkreise 2847.2 Untersuchungsstrategie 2847.2.1 Zündquellenarten 2847.2.2 Vorgehensweise 2867.2.3 Voreilige Konsequenz 2877.3 Zündungen infolge von Büschelentladungen (siehe Abschn. 4.2.2.2) 2887.3.1 Eintragen von schuppenförmigem Schüttgut in einen Rührwerkkessel 2887.3.2 PE-Innensack rutscht aus Papiersack 2897.3.3 Antistatischer PE-Sack verursacht Zündung 2907.3.4 Leerschütteln eines PE-Sackes 2927.3.5 Abpumpen von verunreinigtem Toluol 2947.3.6 Impragnierung von Glasfasern 2967.3.7 Stichflamme beim Beschicken eines Ruhrwerkkessels 2977.3.8 Zwei Explosionen in großen Lagertanks 2987.3.9 Explosion eines geschlossenen Kunststofffasses 3017.4 Zündungen infolge von Gleitstielbüschelentladungen (siehe Abschn. 4.2.3.1) 3027.4.1 Explosion in Bahnkesselwagen 3027.4.2 Metallfass mit Innensack 3057.4.3 Kunststofffass mit Innensack 3067.4.4 Kunststoffleitung in einem pneumatischen Fördersystem 3077.4.5 Brand in Sprühtrocknungsanlage 3097.5 Zundungen infolge von Funkenentladungen (siehe Abschn. 4.2.1) 3127.5.1 Einschütten von Pulver in einen Rührwerkbehӓlter 3127.5.2 Staubzündung in einem Trockner 3137.5.3 Zündung an einer Tauchbeschichtung 3167.5.4 Entleerung eines Trockners 3177.5.5 PVC-Schlauch vonWasser durchströmt 3197.5.6 Explosion beim Entleeren eines Metallfasses 3207.5.7 Schlauchfilter mit Stützkorb 3227.5.8 Zündung beim Betanken eines Automobils 3237.5.9 Brande beim Schließen von Gefrierschranken 3247.5.10 Filtermaterial mit flammfester Ausrüstung 3267.5.11 Fundsache im Silo 3287.5.12 Isolierende „Leiterschuhe“ leiten Personenaufladung nicht ab 3297.5.13 Erdung mit Verspatung 3307.5.14 Qualm an Tankstellen 3317.5.15 Bewusstlos im Supermarkt 3327.5.16 Funken an einem Drosselventil 3337.5.17 Abfüllen von n-Hexan in Metallfasser 3347.5.18 Zündung durch eine infolge Influenz aufgeladene Metallplatte 3357.6 Zündung infolge von Schüttkegelentladungen (siehe Abschn. 4.2.2.4) 3377.7 Zweifel an elektrostatischer Zündung 3387.7.1 Brand in Lösemittelreinigungsanlage 3387.7.2 Brand im PE-Fass 3417.7.3 Brand im Rührwerkbehalter 3437.7.4 Zerknall eines Glasrohres 3447.8 Merkwürdigkeit an einem Metallrohr beim Ausfließen einer Flüssigkeit 3458 Gezielter Einsatz von Aufladungen 3498.1 Nutzanwendungen 3498.2 Beispiele kreativer Umsetzung zu Nutzanwendungen 3518.2.1 Anhaftung – Verblockung 3518.2.2 Anhaften einer Beilage auf einer variablen Unterlage 3528.2.3 Verblockung mehrerer Papier- oder Folienbahnen zu einem Strang 3548.2.4 Haften einer Schmelzfahne auf der Kühlwalze 3568.2.5 TeleskopierfreiesWickeln von Folien 3568.2.6 In-Mould-Labelling (IML) bzw. In-Mould-Decoration (IMD) 3568.2.7 Beölen von Metallblechen 3598.2.8 Applikation von flüssigen Medien auf schnell bewegte Bahnen 3608.2.9 Trocknung von schnell bewegten Substraten 3638.2.10 Tiefdruck- und Beschichtungswerke 3638.2.11 Reduzierung von Partikelnebel im Beschichtungsprozess 3688.2.12 Nutzung der Aufladung für messtechnische Prozesse 3718.2.13 Separieren von Stoffgemischen 3728.2.14 Oberflachenbehandlung mit Coronaanlagen 3748.3 Zusammenfassung 3789 Normung im Fachgebiet Elektrostatik, National, Europaisch und International 3819.1 Was ist Normung? –Warum brauchen wir Normung? 3819.2 Wer macht Normung? 3839.2.1 Das Deutsche Institut für Normung (DIN) 3849.2.2 Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE 3849.2.3 Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 3859.2.4 Die Internationale Elektrotechnische Kommission und die Internationale Organisation für Normung 3869.2.5 Die europaischen Normungsorganisationen 3869.2.6 Zusammenarbeit der Organisationen in der Gegenuberstellung – Europaisch und International 3879.2.7 Normungsarbeit der DKE National – Europaisch – International 3899.3 Bedeutung von Normen 3909.4 Normung in der Elektrostatik 3929.4.1 Erlebter Ablauf eines Normungsprojektes 3949.4.2 Verzeichnis einschlagiger Normen (Stand 2018) 3969.5 Liste der gangigsten Abkurzungen im Normungsumfeld der IEC 4069.6 Auffinden von Normen und Literatur 4129.7 Anmerkung 415M Mathematischer Werkzeugkasten 417M.1 Permittivitat ε 421M.1.1 Bestimmung der Permittivitatszahl eines Materials εr 421M.2 Ladung Q 421M.2.1 Coulomb’sches Gesetz 422M.3 Spannung U 423M.4 Homogenes Feld zwischen ebenen Platten 423M.5 Kapazitat C 423M.5.1 Energie W gespeichert im Kondensator 423M.5.2 Aufladespannung Ua(t) und Entladespannung Ue(t) am Kondensator 424M.5.3 Zeitkonstante τ (allgemein) 425M.5.4 Konfiguration einiger Kapazitaten 426M.6 Widerstand – Leitfahigkeit 428M.6.1 Widerstande 428M.6.2 Leitfahigkeit κ 430M.7 Feldkonstanten (Vakuum) 431Anhang A Permittivitatszahlen εr 433Anhang B Brennbare Gase, Dampfe und Staube 435B.1 Daten brennbarer Gase und Dampfe 435B.2 Staube 437Anhang C Daten gangiger Kunststoffe 453Stichwortverzeichnis 457