Wie Isolatoren den Stromfluss erhöhen

Erleichterter Transport elektrischer Ladungen in rotierenden Suspensionen

Von Rainer Scharf

Gibt man in eine elektrisch leitende Flüssigkeit viele kleine Partikeln aus einem isolierenden Material, so sollte man erwarten, dass das Gemisch ein schlechterer elektrischer Leiter ist als die reine Flüssigkeit. Denn die nichtleitenden Teilchen sollten den Stromfluss behindern. Doch das ist überraschenderweise nicht immer der Fall. Wie Forscher von der Universität Nizza jetzt berichten, verbessern kleine, isolierende Plastikkügelchen, wenn sie einem starken elektrischen Feld ausgesetzt sind, zumindest die Leitfähigkeit von Dodecan - einer farblosen, brennbaren Flüssigkeit, die unter anderem in Dieselkraftstoff vorkommt.
 

Bei ihren Experimenten haben Elisabeth Lemaire und ihre Kollegen etwa 70 Mikrometer große Kugeln aus nichtleitendem Polymethylmethacrylat (PMMA) in Dodecan gelöst. Die Suspension haben sie zwischen die Elektroden eines geladenen Kondensators gebracht, wo sie Feldstärken bis zu 5000 Volt pro Millimeter ausgesetzt war. Bei kleinen Feldstärken leitete die Suspension den Strom erwartungsgemäß schlechter als das reine Dodecan. Doch bei Feldstärken oberhalb von 2500 Volt pro Millimeter war die Suspension eindeutig der bessere Leiter ("Physical Review Letters", Bd. 99, Nr. 094503).

Die Forscher führen den Befund darauf zurück, dass die Plastikkügelchen in einem starken elektrischen Feld rotieren und dadurch den Stromfluss erleichtern. Dass Teilchen von einem konstanten elektrischen Feld in Drehung versetzt werden können, hatte der in Frankfurt an der Oder geborene Physiker Georg Quincke schon 1896 beschrieben. Bei dieser Quincke-Rotation steht die Drehachse des Teilchens immer senkrecht zu den elektrischen Feldlinien, wobei die genaue Ausrichtung dem Zufall überlassen bleibt.

Wie kann man diese Rotation erklären? Das elektrische Feld bewirkt, dass die positiven und die negativen Ladungsträger in den Teilchen geringfügig gegeneinander verschoben werden. Jedes Teilchen hat dann eine positiv und eine negativ geladene Hälfte. Normalerweise zeigt die positive Teilchenhälfte zur negativen Kondensatorplatte und die negative Hälfte zur positiven Platte. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, wird in diesem Fall das Teilchen in seiner Lage gehalten, und es bleibt in Ruhe.

Bei einer PMMA-Kugel in Dodecan zeigte die positiv geladene Halbkugel hingegen auf die positive Kondensatorplatte und die negative Halbkugel auf die negative Platte. Da sich gleiche Ladungen abstoßen, ist die Kugel in einem labilen Gleichgewicht. Dreht sie sich durch Zufall ein wenig und gerät dabei aus dem Gleichgewicht, so verspürt sie eine Kraft, die sie weiter zu drehen versucht. Doch nur in einem starken elektrischen Feld reicht diese Kraft aus, die Reibungskraft zu überwinden, mit der die Flüssigkeit auf die Kugel wirkt. Ist die Kugel erst einmal in Rotation geraten, so dreht sie sich unablässig weiter. Das elektrische Feld bewirkt, dass die positiven und negativen Ladungen der Kugel auf die positive beziehungsweise negative Kondensatorplatte ausgerichtet bleiben. Die fortwährende Abstoßung der gleichnamigen Ladungen hält die Kugel in Schwung.

Bei früheren Experimenten hatten die französischen Forscher beobachtet, dass die Quincke-Rotation von Plastikkügelchen in Öl die Zähflüssigkeit dieser Dispersion stark verringerte. Die rotierenden Teilchen richteten ihre Drehachsen so aus, dass sie die Strömung wie kleine Schaufelräder antrieben. Wie sich jetzt gezeigt hat, können die Plastikkügelchen in ähnlicher Weise auch den Ladungstransport in einer Flüssigkeit erleichtern. Auf den beiden entgegengesetzt geladenen Kugelhälften sitzen Oberflächenladungen, die sich mit der Kugel drehen. Diese bewegten Ladungen tragen zum elektrischen Strom in der Flüssigkeit bei. Nach den Berechnungen der Forscher wird auf diese Weise die Leitfähigkeit der Suspension in einem starken elektrischen Feld tatsächlich größer als die des reinen Dodecans. Die Plastikteilchen hatten also die Leitfähigkeit verbessert, obwohl sie nichtleitend waren.

Text: F.A.Z., 12.09.2007, Nr. 212 / Seite N2