Ionisation in der Praxis: Grundlagen verstehen, Prozesse beherrschen

Auch wenn sich das Verständnis um die Effekte der Elektrostatik in den letzten Jahren stetig verbreitet hat, gibt es besonders in Sachen Ionisation noch einigen Klärungsbedarf. Mit diesen kleinen Exkursen möchten wir einen Überblick über die beiden Hauptarten der Ionisation, aktive und passive Ionisation bieten.

Exkurs zur Entstehung von elektrostatischen Ladungen und dem elektrostatischen Feld:

Kontakt und Trennung erzeugen elektrostatische Aufladungen. Der Grund? In der Kontaktfläche zweier Kontaktpartner kann ein Elektron aus einer Oberfläche (Donator) herausgerissen und auf der Gegenseite (Akzeptor) aufgenommen werden. Ist mindestens einer der beiden Beteiligten Kontaktpartner ein Isolator (zum Beispiel Kunststofffolie) entsteht auf diesem eine elektrostatische Aufladung, die „Elektrizität“ ist hier statisch auf der Oberfläche.

Da die Ladung auf dem Isolator unbeweglich ist, sie aber dennoch nach Ausgleich sucht, „greift“ sie nach allem was die Ladung ausgleichen oder verringern kann. Dieser Effekt hat das elektrostatische Feld, ausgehend von der Aufladung, zur Folge. Man kennt diesen Effekt auch aus dem Alltag. Wenn Sie eine Kunststoff-Oberfläche reiben, sie also aufladen, und dann mit dem Arm mit kleinem Abstand darüber fahren, merken Sie, wie sich die Haare aufstellen. Genau dies ist der oben beschriebene Effekt. Die elektrostatisch aufgeladene Oberfläche „greift“ mittels des elektrostatischen Felds nach den Haaren, da diese neutraler sind und damit eine Möglichkeit zur Neutralisierung bieten könnten.

Exkurs zur passiven Ionisation:

Passive Ionisation ergibt sich bei Widerstands entkoppelten Elektrodenspitzen, wenn die über den Trafo an Erde liegende Elektrode einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird. Die Spitzen der Ionisatoren bündeln hierbei das elektrostatische Feld, da sie den neutraleren Punkt darstellen. Durch die Bündelung des elektrostatischen Feldes an der Spitze entsteht hier direkt an der Spitze der Spitze eine gewisse Feldstärke. Zur bildlichen Darstellung kann man hier Feldlinien „zählen“, einen hohe Aufladung einer Oberfläche erzeugt einen Vielzahl von Feldlinien die auf die Einzelne Spitze gebündelt werden, mehr Feldlinien bedeuten einen höhere Feldstärke.

Bei ausreichend großer Feldstärke an den Spitzen, werden diese zum Emittieren angeregt. Das heißt an der einzelnen Spitze wird die umgebende Luft entsprechende der Gegenpolarität des Feldes aufgeladen, eine Ion entsteht. Dieses Ion wird dann vom geladenen Material angezogen und neutralisiert dort einen Teil der Aufladung auf der Oberfläche. Dieser Vorgang funktioniert so lange, wie das von der Oberfläche wirkende Feld groß genug ist und die Feldstärke an der Spitze ausreicht um Luftmoleküle zu ionisieren. Dies funktioniert solange, wie ausreichend Ladung auf der Oberfläche vorliegt, um eine hohe Feldstärke an der Spitze zu erzeugen. Ist die Ladung auf der Bahn zu gering setzt auch die passive Ionisation aus.

Nota bene: Auch wenn die Aufladung, bzw. Das elektrostatische Feld, auf zu viele Spitzen aufgeteilt wird, reicht die Feldstärke an der einzelnen Spitze nicht mehr aus, um diese zum Ionisieren anzuregen.

Ergo: Weniger ist an dieser Stelle mehr.

Illustrationen hierzu:

Exkurs zur aktive Ionisation:

Zur Ionisation, also dem Laden von Luftmolekülen, bedarf es einer hohen Feldstärke an einem Leiter, idealerweise einer Spitze. Jede spitzer die Spitze ausfällt, desto leichter gelingt mit einer geringeren, angelegten Spannung eine hohe Feldstärke an der Spitze zu erzeugen. Um diese hohen Feldstärken zu erzielen bedient man sich eines Hochspannungserzeugers und platziert nah der Ionisationsspitze ein Gegenpotenzial. Im einfachsten Fall ist dies ein Leiter der an Masse liegt. Wird die Spitze an Hochspannung gelegt, baut sich ein elektrisches Feld zwischen Spitze und Gegenpotential auf. Bei richtiger Auslegung der Abstände und Spannungsniveaus erreicht man an der Spitze eine Feldstärke, die hoch genug ist, dass die umgebenden Luftmoleküle ionisiert werden (vgl. Ionisationsenergien nach Rutherford).

Exkurs zur aktive Ionisation:

Zur Ionisation, also dem Laden von Luftmolekülen, bedarf es einer hohen Feldstärke an einem Leiter, idealerweise einer Spitze. Jede spitzer die Spitze ausfällt, desto leichter gelingt mit einer geringeren, angelegten Spannung eine hohe Feldstärke an der Spitze zu erzeugen. Um diese hohen Feldstärken zu erzielen bedient man sich eines Hochspannungserzeugers und platziert nah der Ionisationsspitze ein Gegenpotenzial. Im einfachsten Fall ist dies ein Leiter der an Masse liegt. Wird die Spitze an Hochspannung gelegt, baut sich ein elektrisches Feld zwischen Spitze und Gegenpotential auf. Bei richtiger Auslegung der Abstände und Spannungsniveaus erreicht man an der Spitze eine Feldstärke, die hoch genug ist, dass die umgebenden Luftmoleküle ionisiert werden (vgl. Ionisationsenergien nach Rutherford).

Eltex AC-Ionisatoren bieten hier denn Doppeleffekt, also das Beste aus beiden Welten. Bei extrem hohen Bahnladungen wirken die Ionisatoren wie passive Ionisatoren und eliminieren problemlos höchste Aufladungen. Bei geringeren Oberflächenladungen greift die sehr effiziente aktive Ionisation und gewährleistet geringste Restladungen in empfindlichen Anwendungen.

Fazit

Ionisation ist ein wirkungsvolles Werkzeug zur Beherrschung elektrostatischer Effekte – vorausgesetzt, sie wird technisch richtig verstanden und gezielt in den Prozess integriert. Entscheidend ist dabei nicht allein die Erzeugung von Ionen, sondern deren kontrollierte Wechselwirkung mit geladenen Oberflächen unter realen Produktionsbedingungen. Geometrie, Abstände, Umgebungsparameter und Prozessgeschwindigkeiten haben dabei ebenso großen Einfluss wie die Auswahl des geeigneten Ionisationssystems. Unsere Erfahrung aus zahlreichen industriellen Anwendungen zeigt: Erst die anwendungsspezifische Auslegung und das Verständnis für den gesamten Prozess machen Ionisation zu einer stabilen, reproduzierbaren und nachhaltigen Lösung.