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10.1 Elektrostatische Felder

Statische Elektrizitt kann entstehen, wenn zwei unterschiedliche Materialien anein-ander gerieben und anschlieend getrennt werden (Reibungselektrizitt). Beim Reiben entsteht Wrme, die dazu fhrt, dass sich an der Oberflche der beiden Materialien die Materialstruktur kurzzeitig ndert. Das hat zur Folge, dass Elektronen von der einen Oberflche zur anderen wandern. Auf beiden Oberflchen entsteht hierdurch ein Ladungs-berschuss gleicher Gre, aber mit ent- gegengesetztem Vorzeichen. Knnen diese Ladungen durch die Trennung der Ober- flchen nicht abflieen, d. h. sich nicht aus-gleichen, entsteht ein elektrisches Feld, das als statische Elektrizitt bezeichnet wird.

Die Gre und Polaritt des Feldes hngen ab von

der Art der beteiligten Materialien, ins-besondere ihrer relativen Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe,

der Intensitt des Vorgangs Berhren/Trennen,

der Oberflchenleitfhigkeit und

den Umgebungsbedingungen (z. B. der relativen Luftfeuchte).

Aufladungsvorgnge entstehen berall dort, wo Berhrungen und Bewegungen zwischen unterschiedlichen nicht leitfhigen Materia-lien auftreten. Vorzugsweise ist dies mglich zwischen synthetischen Materialien, z. B. beim

Begehen eines Kunststoffteppichs,

Teilen eines Stoffes,

Abziehen eines Bandes von einer Rolle,

Zerkleinern, Versprhen und Zerstuben von Materialien und

Strmen von Stoffen, z. B. Flssigkeiten oder Stube, an Wnden entlang.

Personen knnen sich beim Bewegen oder durch Ladungsverschiebungen (Influenz) aufladen. Kleidungsstcke mit nicht aus- reichender Leitfhigkeit begnstigen die Aufladung. Beim Berhren aufgeladener Gegenstnde kann eine Aufladung auch durch Ladungsbertragung erfolgen. Einen berblick ber die Spannungen, die durch elektrostatische Aufladungen bei typischen Brottigkeiten erzeugt wer-den, gibt Tabelle 18 (siehe Seite 94).

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F. Brner, Sankt AugustinM. Fischer, Kln

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Eine Voraussetzung fr elektrostatische Aufladungen ist, dass der Oberflchenwider-stand der beteiligten Materialien mehr als 109 W betrgt und die relative Luftfeuchte unter 45 % liegt.

Falls aufgeladene Gegenstnde oder Perso-nen geerdete elektrisch leitfhige Stoffe oder andere Personen berhren oder sich diesen soweit annhern, dass aufgrund der Hhe der elektrischen Feldstrke Funken entste-hen, knnen elektrostatische Entladungen auftreten. Faktoren, von denen der Entla-dungsvorgang abhngt, sind u. a. die

Hhe der elektrostatischen Spannung,

Annherungsgeschwindigkeit des elektro-statisch geladenen Objektes an das leit- fhige oder geerdete Objekt,

Umgebungsbedingungen, z. B. Tempera-tur, Luftdruck, Luftfeuchte, Staubpartikel, sowie

Geometrie und Oberflchenbeschaffenheit der Objekte.

Die bekanntesten alltglichen Entladungs-effekte sind Entladungsfunken an Trgriffen, Treppengelndern und Autokarosserien sowie das Knistern oder sogar Funken beim Ausziehen eines Kleidungsstcks aus einem synthetischen Stoff.

Gefahren durch elektrostatische Felder

Fr den Menschen stellen elektrostatische Felder im Allgemeinen keine Gefahr dar. Den Aufladungsvorgang bemerkt der Mensch nicht. Jedoch besteht die Gefahr des Erschre-ckens und hierdurch ausgelster Fehlhand-lungen, wenn sich Personen oder mobile Objekte wie z. B. Sthle, Gertewagen, Druckertische oder Reinigungsgerte nach einer elektrostatischen Aufladung schlag-artig wieder entladen.

Der Mensch nimmt eine Entladung elektro-statischer Energie von mehr als etwa 5 104 J sprbar wahr. Das entspricht bei einer typischen Krperkapazitt zwischen Mensch und Erde von 100 bis 250 pF einer Entladungsspannung von 2 000 bis 3 100 V. In Bros kann eine solche Spannung schon bei normalen Ttigkeiten berschritten wer-den (siehe hierzu Tabelle 18).

Tabelle 18: Spannungswerte, die durch elektrostatische Aufladungen erzeugt werden knnen

Ttigkeit Spannung in V

Laufen ber einen Teppichboden 1 500 bis 35 000

Laufen ber einen unbehandelten Vinylbodenbelag 250 bis 12 000

Arbeiten an einem Arbeitstisch 700 bis 6 000

Papierbogen in einen Umschlag aus Vinyl stecken 600 bis 7 000

Aufheben einer Plastiktte von einem Arbeitstisch 1 200 bis 20 000

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Damit Gefhrdungen durch elektrostatische Entladungen ausgeschlossen werden kn- nen, sollte die ber den menschlichen Kr-per bertragene Energie 350 mJ oder die ber den Krper bertragene Ladung 50 C nicht berschreiten. Bei Entladungen an elektronischen Gerten reichen diese vom Menschen gespeicherten Energien aus, um Halbleiterbauteile im Inneren des Gertes zu zerstren. Insbesondere kann eine auf wenige Volt aufgeladene Person bei direktem Kontakt mit dem Anschluss eines Halbleiter- bauelementes irreparable Schden an die-sem Element erzeugen. So gengen bei-spielsweise Entladungsspannungen von

100 V, um eine Information auf einem magnetischen Datentrger zu lschen,

50 V, um einen Funken zu erzeugen, der explosive Gase entznden kann,

5 V, um die hoch empfindlichen Lesekpfe von Hard Disks zu beschdigen.

Neben diesen direkten Schdigungen knnen elektrostatische Aufladungen auch Partikel-ansammlungen auf glatten Oberflchen her-vorrufen. Die Folge knnen z. B. verschmutz-te Bildschirme und Staubablagerungen sein.

Schutz vor statischer Elektrizitt

Die Praxis zeigt, dass elektrostatische Auf- ladungen niemals ganz zu vermeiden sind. Hufig sind diese sogar so gro, dass Schutz- schaltungen in elektronischen Gerten sie nicht mehr vollstndig ableiten knnen. Aus diesem Grund ist es notwendig, Vorkehrun-gen zu treffen, um elektrostatische Aufladun-gen zu reduzieren oder abzuleiten. Dies kann man durch folgende Manahmen erreichen:

Kontaktflchen veringern: Elektrostatische Aufladungen knnen verringert werden, wenn die Kontakt-oberflche verkleinert oder verndert wird, z. B. durch Aufrauen der Oberflche (Mattieren). Hufig wird diese Manahme bei Folien oder Folienprodukten, z. B. bei Klarsichthllen, angewendet.

Erden: Bei sachgemem Erden wird die vorhan-dene Ladung schnell abgeleitet. Dabei muss darauf geachtet werden, dass der Ableitwiderstand kleiner als 109 ist. Ein sachgemes Erden erreicht man durch Verlegen von leitfhigen oder statisch ab-leitenden Bodenbelgen, Erden leitfhiger Mbel und Arbeitsflchen sowie Ausrs-ten von Sthlen und Transportmitteln mit leitfhigen Rollen oder Rdern.

Oberflchenwiderstand verringern sowie relative Luftfeuchte erhhen: Fr Innenraumarbeitspltze kommt ein Verringern des Oberflchenwiderstandes durch Ionisieren der Luft oder Erhhen der Luftfeuchte als Manahme meist nicht infrage. Die Ionisierung der Umgebungs-luft ist nur lokal mglich. Ihre Wirkung setzt erst ab einer Mindestspannung ein. Die Anwendung ist nur an industriellen Arbeitspltzen sinnvoll, wenn elektrosta-tische Aufladungen stren. Bei einer Erh-hung der Luftfeuchtigkeit sind die in die-ser Vorgehensempfehlung beschriebenen Anforderungen an das Raumklima (siehe Kapitel 9) zu beachten.

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Schon bei der Auswahl von Materialien sollte der Schutz vor statischer Elektrizitt beach-tet werden, damit Manahmen vermieden werden knnen.

10.2 Elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder

Der Mensch ist in seiner heutigen Umgebung von natrlichen und technisch erzeugten elektrischen, magnetischen oder elektro- magnetischen Feldern (EM-Feldern) um- geben. Natrliche Felder sind z. B. das Erd-magnetfeld oder bei Gewitter auftretende elektrische Felder. Technisch erzeugte Felder sind mit der Erzeugung, der Verteilung und dem Verbrauch elektrischer Energie verbun-den.

An Arbeitspltzen knnen hhere EM-Felder dann auftreten, wenn diese z. B. zur Bearbei-tung von Werkstcken bestimmungsgem eingesetzt werden (Erwrmungsanlagen,

Schmelzfen etc.). Solche Arbeitspltze werden in diesem Beitrag nicht behandelt.

An Innenraumarbeitspltzen knnen EM-Fel-der nur in der direkten Umgebung von dort betriebenen elektrischen Gerten und Anla-gen auftreten. Diese Felder sind hinsichtlich der Intensitt allerdings wesentlich geringer als die bei der Bearbeitung von Werkstcken genutzten Felder. Hufig werden jedoch Befrchtungen geuert, dass die Exposition gegenber elektromagnetischen Feldern auch an diesen Arbeitspltzen zu nachteili-gen Wirkungen fhren knnte.

Das Frequenzspektrum von EM-Feldern reicht von Gleichfeldern mit der Frequenz 0 Hz bis zu Wechselfeldern mit Frequenzen von bis zu 300GHz. Eine Einteilung von EM-Feldern in verschiedene Frequenzberei-che und ihre Anwendungen sowie Wirkungen zeigt beispielhaft Abbildung 15.

Abbildung 15: Frequenzspektrum elektromagnetischer Felder und ihre Wirkungen

Erd-magnetfeld

Netz-frequenz

Dia-thermie

Mikro-wellenofen

Kra-wirkung

Reizwirkung Wrmewirkung

105 km

100 km 1 m 1 mm

0 3 50 3000

3 105

3 10113 108

Frequenzin Hz

Anwendungen

Wellenlnge

Wirkungen

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Gleichfelder sind zeitunabhngig. Das elektrische und das magnetische Gleichfeld sind getrennt zu betrachten. Elektrische und magnetische Gleichfelder haben an Innen-raumarbeitspltzen praktisch keine Bedeu-tung. In der Nhe von Permanentmagneten knnen jedoch aktive Krperhilfsmittel wie z. B. Herzschrittmacher, Defibrillatoren, Insulinpumpen oder Hrgerte beeinflusst werden.

Der Bereich der niederfrequenten elektro- magnetischen Felder umfasst alle Frequen-zen zwischen 0 Hz und 30 kHz. Aufgrund der niedrigen Frequenzen sind das elektrische und das magnetische Feld