Die Physik der N95-Gesichtsmaske

Jul 20, 2023

Rhett Allain

Wir schreiben das Jahr 2022 und mittlerweile tragen wir alle seit fast zwei Jahren Masken. Und wenn Sie kein Chirurg oder Bauarbeiter sind und sie nicht bereits täglich tragen, haben Sie in diesen zwei Jahren wahrscheinlich viel über sie gelernt – welche Ihnen am besten gefallen, wo Sie sie bekommen und ob Sie irgendwelche Extras darin verstaut haben einer Manteltasche oder irgendwo in Ihrem Auto.

Aber wissen Sie, was die wertvolle N95-Maske so besonders macht? Lass es uns herausfinden.

Die Fasern in normalen Gesichtsmasken aus Stoff oder Papier filtern Partikel heraus, indem sie sie physikalisch blockieren – aber auch die Fasern in einer N95-Maske nutzen einen tollen physikalischen Trick. Diese Fasern sind elektrisch geladen.

Elektrische Ladung ist eine der grundlegenden Eigenschaften aller Teilchen. Fast alles um uns herum besteht aus drei Teilchen: dem Proton, dem Elektron und dem Neutron. (Ignorieren wir vorerst Myonen und Neutrinos – beides fundamentale Teilchen, die tatsächlich existieren – sowie andere Teilchen, die theoretisch möglich sind.)

So wie jedes Teilchen eine Masse hat, hat es auch eine Ladung. Das Proton hat eine positive elektrische Ladung mit einem Wert von 1,6 x 10-19 Coulomb, der Maßeinheit für die elektrische Ladung. Das Elektron hat die genau entgegengesetzte Ladung. Dadurch bleibt das Neutron ohne Ladung (also der „Neut“-Teil von „Neutron“).

Die elektrische Ladung ist ein wesentlicher Bestandteil der elektrostatischen Wechselwirkung, der Kraft zwischen elektrischen Ladungen. Die Größe dieser Kraft hängt von der Größe der beiden Ladungen und dem Abstand zwischen ihnen ab. Diese Kraft können wir mit dem Coulombschen Gesetz berechnen. Es sieht aus wie das:

In diesem Ausdruckk ist eine Konstante mit einem Wert von 9 x 109 N×m2/C2. Die Gebühren sindq1Undq2und der Abstand zwischen ihnen istR . Dies ergibt eine Kraft in Newton. Wenn beide Ladungen das gleiche Vorzeichen haben (entweder beide positiv oder beide negativ), dann handelt es sich um eine abstoßende Kraft. Wenn die beiden Ladungen unterschiedliche Vorzeichen haben, ist die Kraft anziehend.

Von Brenda Stolyar und Eric Ravenscraft

Wenn alles aus Elektronen und Protonen besteht, sollten dann nicht zwischen allem elektrische Kräfte wirken? Naja, so ungefähr. Elektronen und Protonen sind winzig klein. Das bedeutet, dass selbst ein kleiner Wassertropfen etwa 1022 Protonen enthält. Dieser Tropfen wird wahrscheinlich die gleiche Anzahl an Elektronen haben. (Und die Neutronen interessieren niemanden – zumindest im Moment.) Damit beträgt die Gesamtladung dieses Wassertropfens null Coulomb. Selbst wenn Ihr Wasser zusätzliche Elektronen enthält, wird die Gesamtladung gering sein, da die Elektronenladung gering ist. Im Wesentlichen ist das meiste, was Sie sehen können, elektrisch neutral und weist keine elektrischen Kräfte auf.

Erinnern Sie sich daran, dass Sie einmal eine Socke aus dem Wäschetrockner genommen haben und sie an Ihrem Hemd klebte? Wenn es sich um eine Wechselwirkung statischer Elektrizität handelt, wie wurde die Socke dann aufgeladen?

Um eine Socke negativ aufzuladen, gibt es nur einen Weg: Stellen Sie sicher, dass die Socke mehr Elektronen als Protonen hat. Sie werden viele Elektronen benötigen, vielleicht etwas in der Größenordnung von 1013 zusätzlichen Elektronen. (Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie groß diese Zahl ist: Es handelt sich um die Gesamtzahl an Scheinen, die Sie benötigen würden, um jedem Menschen auf der Erde 1.000 Dollar in Einzelstücken zu geben.) All diese zusätzlichen Elektronen würden der Socke insgesamt eine negative Ladung von etwa 1 verleihen Mikrocoulomb (1 x 10-6 C).

Wenn Sie dieselbe Socke positiv laden möchten, müssen Sie Elektronen entfernen, anstatt sie hinzuzufügen. Dies würde dazu führen, dass die Socke mehr Protonen als Elektronen hätte und insgesamt eine positive Ladung hätte. Aber aus den meisten Objekten kann man Protonen nicht einfach so entfernen. Nun, das kannst du, aber es könnte super schlimm sein. Denken Sie an das Periodensystem der Elemente zurück. Nehmen wir an, Sie beginnen mit einem Objekt aus Kohlenstoff, dessen Kern sechs Protonen enthält. Würde man eines dieser Protonen entfernen, wäre es kein Kohlenstoff mehr. Es wäre Bor, das fünf Protonen hat – und Sie hätten gerade eine Kernreaktion ausgelöst.

Parth MN

Lauren Goode

Joel Khalili

Julian Chokkattu

Entzieht man dem Kohlenstoff hingegen ein Elektron, handelt es sich lediglich um ein Kohlenstoffion. Es verwandelt sich nicht in ein anderes Element.

OK, aber wie fügt man Elektronen hinzu oder entfernt sie? Du hast wirklich nur zwei Möglichkeiten. Die gebräuchlichste Methode besteht darin, Elektronen durch Reiben von einer Oberfläche auf eine andere zu übertragen. Ich weiß, das klingt albern, aber es ist wahr. Wenn Sie einen Plastikstift nehmen und ihn an Ihrem Wollpullover reiben, werden sowohl der Stift als auch der Pullover aufgeladen. Aber wer bekommt die Elektronen? Die Antwort hängt von den beiden Arten von Materialien ab – und Sie können sie mithilfe einer sogenannten triboelektrischen Reihe herausfinden. Damit würden wir feststellen, dass die Wolle positiv geladen ist und der Stift negativ.

Wenn Sie ein weiteres Beispiel benötigen: Folgendes passiert, wenn Sie ein Baumwollhemd an einer Plastikrutsche auf dem Spielplatz reiben:

In diesem Fall rutschte das Kind auf dem Foto (es ist ein älteres Bild von einem meiner Jungen) die Rutsche hinunter, wobei das Hemd am Plastik scheuerte. Diese überschüssigen Elektronen breiteten sich über seinen Körper aus und gelangten in seine Haare. Da alle Haare negativ geladen waren, stieß jede Strähne die andere ab. Die einzige Möglichkeit, sich so weit wie möglich von den anderen Strängen zu entfernen, bestand darin, aufzustehen.

Das ist ein cooles Bild, aber dafür braucht es zwei Dinge. Zunächst benötigen Sie sehr dünnes und helles Haar. (Lockiges Haar bleibt einfach lockig und steht nicht auf.) Zweitens muss die Luft trocken sein. Es stellt sich heraus, dass ein elektrisch geladenes Kind Wasser anzieht – ich werde Ihnen unten zeigen, warum – und wenn das Wasser auf es trifft, wird die Ladung entfernt.

Es gibt eine andere Möglichkeit, überschüssige Elektronen auf ein Objekt zu bringen: Man schießt sie darauf. Ja, es gibt so etwas wie eine „Elektronenkanone“. Aber vielleicht haben Sie schon einmal etwas Ähnliches gesehen: Kathodenstrahlfernseher im alten Stil schleuderten einen Elektronenstrom auf den Bildschirm und erzeugten so hübsche Bilder. So ist es möglich, etwas aufzuladen, ohne es zu berühren.

Wenn Sie eine N95-Maske tragen, sind die Objekte, die Sie stoppen möchten, die winzigen feuchten Kleckse, die aus der Nase und dem Mund einer Person austreten und möglicherweise einen Virus übertragen könnten. Diese sind im Wesentlichen ungeladen.

Man könnte meinen, dass eine elektrisch geladene N95-Gesichtsmaske nur zum Stoppen elektrisch geladener Objekte geeignet wäre, es kann jedoch zu einer Wechselwirkung zwischen ungeladenen und geladenen Objekten kommen.

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Beginnen wir mit einer einfachen Demonstration, die Sie zu Hause durchführen können. Beginnen Sie mit einem Plastikstift (oder einem anderen kleinen Plastikgegenstand) und einer dieser Plastik-Einkaufstüten. Reiben Sie nun den Stift mit der Tasche. Es sollte elektrisch aufgeladen werden. Wenn Sie es nicht zum Laufen bringen, müssen Sie möglicherweise die Materialien wechseln – Sie könnten versuchen, den Plastikstift an etwas Wolle oder Ihren Haaren zu reiben. Zerreißen Sie nun etwas Papier in kleine Stücke und legen Sie sie auf den Tisch. Wenn Sie den aufgeladenen Stift in die Nähe des Papiers bringen, erhalten Sie eine magisch aussehende Physik.

So funktionierte meins. Ich verwende eine kleine Plastikröhre – sie funktioniert einfach besser als ein Stift:

Das sind ganz normale Zettel ohne Nettogebühr. Warum fühlen sie sich also vom Kunststoff angezogen?

Die Antwort ist Polarisierung. Betrachten wir das einfachste Modell eines Papiermoleküls. Dieses vorgetäuschte Papiermolekül ist eine Kugel mit nur zwei geladenen Teilchen, einem Proton und einem Elektron. (Wenn Sie an das Periodensystem zurückdenken: Ja, das wäre Wasserstoffpapier. Nein, es existiert überhaupt nicht.)

Hier ist mein Modell davon:

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In Atomen wirkt das negative Elektron so, als wäre es über den blauen Bereich verteilt. Wir nennen es eine „Elektronenwolke“. Ich weiß, das erscheint seltsam, aber mit winzigen Objekten wie Molekülen passieren seltsame Dinge. Wichtig ist, dass sich das Zentrum der negativen blauen Wolke am selben Ort befindet wie die positive Ladung. In diesem Zustand ist es unpolarisiert.

Nehmen wir nun an, der positiv geladene Stift wird in die Nähe des Papiermoleküls gebracht. Die Elektronenwolke wird zum Stift gezogen (weil sie entgegengesetzt geladen ist) und das positive Proton wird weggedrückt.

So wird das Papiermolekül jetzt aussehen:

(Hinweis: Dies ist nicht annähernd der richtige Maßstab.)

Das Papiermolekül ist nun polarisiert. Der positive Stift interagiert sowohl mit dem negativen Elektron als auch mit dem positiven Proton. Der effektive Ort der negativen Elektronenwolke liegt jedoch näher am Stift als am Proton. Die Größe der elektrischen Kraft zwischen Ladungen nimmt mit zunehmendem Abstand ab. Das bedeutet, dass die Anziehungskraft zwischen Stift und Elektron größer ist als die Abstoßungskraft zwischen Stift und Proton. Es gibt also insgesamt eine Anziehungskraft, die das Papier zum Stift zieht, auch wenn das Papier neutral ist.

Ja, das ist nur ein Molekül – aber wenn das Gleiche mit jedem Molekül im Blatt Papier passiert, kann eine Anziehungskraft entstehen. Das ist cool, oder?

Ist Ihnen in meiner Demo aufgefallen, dass ein Teil des Papiers vom Kunststoffrohr angezogen und dann abgestoßen wird? Das kann Passieren. Wenn das Papier auf das positive Rohr trifft, werden einige der negativen Elektronen vom Papier auf den Stift übertragen. Jetzt ist auch das Papier positiv und der Stift stößt es ab, so dass es wegfliegt.

Ähnliches passiert mit Wasser – aber technisch gesehen ist es anders. Tatsächlich ist dies eine weitere großartige Demonstration, die Sie ausprobieren sollten: Nehmen Sie Ihren aufgeladenen Plastikstift und halten Sie ihn in die Nähe eines sehr dünnen Wasserstrahls aus einem Wasserhahn. Folgendes passiert:

Beachten Sie, dass einige der Wassertropfen so stark angezogen werden, dass sie das geladene Rohr teilweise umkreisen. Warum macht Wasser das? Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoff (ja, H2O). Aufgrund der Anordnung dieser Atome kommt es jedoch zu einer permanenten Ladungstrennung. Hier ist ein grobes Modell:

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Es ist einfach so, dass die beiden Wasserstoffatome, die sich so verhalten, positiver sind und der Sauerstoff sich so verhält, als wäre er negativ. Aufgrund des Krümmungswinkels der Bindungen kommt es zu einer Ladungstrennung, sodass dieses Wassermolekül polarisiert ist. Ein Wassertropfen in der Nähe eines geladenen Objekts dreht sich so, dass das entgegengesetzt geladene Ende des Moleküls dem Objekt zugewandt ist und dann von ihm angezogen wird. Deshalb kann man mit einem geladenen Stück Plastik einen Wasserstrahl biegen.

Stellen Sie sich nun etwas Ähnliches wie den elektrisch geladenen Stift und das Wasser vor – aber in einem viel kleineren Maßstab. Anstelle eines Stifts haben Sie ein Bündel Plastikfasern. Anstelle des Wassers gibt es Tropfen, die jemandem aus dem Mund fliegen. Dies ist im Wesentlichen das, was in einer N95-Maske passiert. Die Faser in der Maske zieht diese Tropfen an und verhindert, dass der Träger sie einatmet. In einem sehr kleinen Maßstab (wie dem von Atemaerosolen und Fasern) neigen die Dinge aufgrund der sogenannten Van-der-Waals-Wechselwirkung dazu, zusammenzukleben. Dies ist im Grunde eine attraktive Wechselwirkung zwischen zwei ungeladenen Objekten aufgrund sehr geringer Ladungstrennungen.

Bei einer N95-Faser müssen Sie sie nicht mit einem anderen Material reiben, um sie aufzuladen. Die Fasern in der Maske bestehen aus einem „Elektret“-Material; Dieses Wort kommt aus der Kombination von Elektrizität und Magnet. Nein, es ist kein Elektromagnet – es ist ein dauerhaft elektrisch geladenes Objekt, genau wie ein Stabmagnet an Ihrem Kühlschrank.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Elektretmaterialien herzustellen. Eine besteht darin, das Material mit Elektronen zu bombardieren, damit diese in der Faser stecken bleiben und diese geladen bleibt. Die andere Methode besteht darin, ein Material in einem elektrischen Feld zu erhitzen. Durch den Temperaturanstieg können sich die Moleküle im Material aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld in einen polarisierten Zustand drehen. Sobald das Material abkühlt, bleiben die Moleküle polarisiert. Dadurch entsteht ein etwas anderes Elektretmaterial, da es einen elektrischen Effekt erzeugt, obwohl es noch neutral geladen ist.

Die Elektretfasern in einer N95-Maske blockieren also nicht nur kleine Partikel, indem sie im Weg sind, sondern können diese auch durch die elektrische Wechselwirkung anziehen, sodass sie an den Fasern haften bleiben. Dies bedeutet, dass die mit dem Virus infizierten Wassertröpfchen nicht eingeatmet werden und der Maskenträger nicht infiziert wird. Natürlich blockiert ein N95 auch andere kleine Partikel wie Staub, Farbe und andere giftige Stoffe, deren Einatmen für eine Person möglicherweise nicht geeignet ist.

Da haben Sie es also – die N95-Maske hilft uns nicht nur, diese schreckliche Pandemie zu überwinden, sie kann uns auch einiges über fantastische Physik beibringen.

Update 28.01.2022 16:48 Uhr ET: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um Informationen über die Ladungstrennung in den Atomen eines Wassermoleküls zu korrigieren.