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Kampf gegen Staub: Wirken Antistatik-Sprays?

Wirken Antistatik-Sprays gegen Staub?

Schon wieder Staub wischen – wer kennt das Problem nicht? Wohl kaum einer. Deshalb haben zahlreiche Hersteller von Reinigungs- und Pflegemitteln Antistatik-Sprays im Angebot. Diese Mittel sollen – einfach aufgesprüht – dafür sorgen, dass sich weniger Staub auf den Oberflächen in unserem Zuhause absetzt. So müssten wir dann weniger Staub wischen.

Aber was taugen solche Sprays wirklich? Wie funktionieren sie? Und kann man sie auch selber herstellen?

Wie kommt der Staub ins Haus?

Staub im Haus ist etwas ganz normales und überdies unvermeidlich. Grossteils besteht er aus winzigen Hautschuppen von uns und, wenn vorhanden, unseren Haustieren. So lange wir leben, erneuert sich unsere Haut ständig, sodass wir laufend solche Schuppen verlieren.

Dazu kommen Klein- und Kleinstlebewesen, deren Überreste und Ausscheidungen. Auch die sind ganz normal: Selbst der sauberste Haushalt kommt nicht ohne Hausstaubmilben, Einzeller, Spinnen (und Spinnweben) sowie viele andere kleine Mitbewohner aus. Dazu kommen Fasern, Fussel und anderer Abrieb von Textilien und Gegenständen, die wir tagtäglich daheim benutzen.

Auch von draussen tragen wir regelmässig Staub ins Haus: Abrieb von Strassen und Reifen, Pflanzenteilchen und wiederum Kleinstlebewesen. Beim Lüften kommen mit der ausgetauschten Luft Pollen und mehr (Saharastaub, Vulkanausbrüche…) oder weniger (Feinstaub durch Verkehr) natürlicher Staub aus der Luft hinzu.

Insgesamt bilden sich täglich rund 6 Milligramm Hausstaub pro Quadratmeter – oder 130 Gramm pro Person und Jahr! Dass wir regelmässig Staub wischen müssen lässt sich also nicht vermeiden. Es sei denn, es wäre uns gleich, wenn irgendwann alles zustaubt.

Das jedoch kann fatale Folgen haben. Wenn der Staub Lüftungsschlitze elektronischer Geräte verstopft, kann das zur Überhitzung und im schlimmsten Fall zu einem Brand führen. Und als wollten sie uns verhöhnen, ziehen gerade elektronische Geräte den Staub wie magisch an.

Staubige Tasten: Helfen Antistatik-Sprays hier?
Auch Tastaturen ziehen Staub wie magisch an.

Warum ziehen Elektrogeräte besonders viel Staub an?

Staubpartikel gelangen von ihrem Entstehungsort zunächst in die Luft und werden in Strömungen und Wirbeln durch den Raum transportiert. Irgendwann folgen sie trotz ihres verschwindend kleinen Gewichts der Schwerkraft – oder anderen Kräften – und setzen sich auf Oberflächen ab.

Welche anderen Kräfte?

Staubpartikel bestehen aus Molekülen. Wenn solche Partikel von grösseren Gegenständen abgerieben werden, werden nicht nur ganze Moleküle voneinander getrennt. Auch die Moleküle selbst werden abgerieben: Sie büssen dabei Elektronen aus ihrer Hülle ein oder bekommen zusätzliche Elektronen, die von anderen Molekülen abgerieben wurden, aufgedrängt. Kurzum: Diese Moleküle, und damit auch die Staubpartikel, zu denen sie gehören, werden elektrisch geladen.

Und das werden elektronische Geräte auch. Das liegt in der Natur ihrer Funktionsweise: Sie arbeiten mit elektrischem Strom. Das heisst, in ihnen werden Ladungen hin und her geschickt und hier und da gesammelt. Und die Funktionsweise mancher Geräte, zum Beispiel Laserdrucker, beruht sogar darauf, dass bestimmte Bauteile ganz gezielt elektrostatisch aufgeladen werden.

Nur halten sich elektrische Ladungen kaum an Spielregeln oder Grenzen. Stattdessen drängen sie in jeden Stoff in ihrer Umgebung, in welchem sie sich halbwegs bewegen können. So bleibt es nicht aus, dass einige Ladungen in der Aussenverkleidung der Geräte landen. Und wenn in deren Nähe Staub in der Luft vorbeikommt, der zufällig entgegengesetzt geladen ist, ziehen sich die unterschiedlichen Ladungen gegenseitig an. Da die Ladungen in der Geräteoberfläche nicht hinaus können, gibt der fast gewichtslose Staub der Anziehung nach und landet auf dem Gerät.

Was kann man dagegen tun?

Um die vermehrte Anziehung von Staub zu verhindern, müssen die elektrischen Ladungen von der Geräteoberfläche fortgeschafft werden. Das Problem dabei: Die übliche Aussenverkleidung von Elektrogeräten besteht aus nichtleitendem Kunststoff (Verweis PBA). Das heisst, Ladungen, die dort einmal hineingeraten sind, finden kaum bis gar nicht wieder hinaus.

Ein extremes Beispiel ist Polystyrol („Styropor“). Nicht umsonst verwende ich dieses Material beim Erzeugen von Miniatur-Blitzen im DIY-Experiment: Es lässt sich durch Reibung stark elektrostatisch aufladen und gibt die Ladung erst ab, wenn ein elektrischer Leiter (wie die Aluschale im Experiment) in seine unmittelbare Nähe gelangt.

Findige Chemiker und Techniker haben jedoch zwei Wege ersonnen, um den Ladungen das Entkommen aus solchen Materialien zu erleichtern. Beide beruhen darauf, dass die Leitfähigkeit der jeweiligen Oberfläche erhöht wird – indem eigens für den Abfluss von elektrischen Ladungen Wege geschaffen werden.

1. Leiter in die Oberfläche einbauen oder darauf aufbringen

Am naheliegendsten ist vielleicht, eine Metallschicht auf die Kunststoffoberfläche aufzubringen. Metalle sind sehr gute elektrische Leiter und sorgen für einen regen Ladungsverkehr. Andererseits sind sie oft anfällig für Korrosion – und jene, die das nicht sind, sind meist teuer. Ausserdem verändern sie das Aussehen der Kunststoffoberfläche.

Deshalb gibt es viele weitere sogenannte leitende Antistatika, die direkt in das Material hineingemischt werden. Das können Metallpulver sein, die mit Lacken vermengt werden, oder Metallfäden bzw. Leitfähigkeitsruss, die mit einem Kunststoff gemischt werden. Diese Stoffe, insbesondere Russ, sind jedoch tief schwarz und dementsprechend an der Oberfläche sichtbar. Freunde unverändert farbiger Oberflächen haben daher eigens leitfähige Polymere wie PEDOT ersonnen.

Ein leitfähiger Kunststoff ohne Farbe

PEDOT steht für „Polyethylendioxythiophen“ und sieht so aus:

Ausschnitt aus einem PEDOT-Polymer: Die abwechselnden C-C-Doppel- und Einfachbindungen, entlang welcher dieses Polymer leitfähig ist, sind orange markiert.

Wie alle Polymere besteht auch dieser Stoff aus langen Kettenmolekülen, die aus sich immer wiederholenden „Gliedern“ zusammengesetzt sind. Die PEDOT-Moleküle haben dabei eine Besonderheit: Entlang ihrer Ketten wechseln sich C-C-Einfach- und C-C-Doppelbindungen stets ab. Tatsächlich ragt die zweite Bindung (die sogenannte „Pi-Bindung“) einer Doppelbindung, die wie eine Hülle um die erste liegt, an beiden Enden über die eigentliche Bindung hinaus, sodass es zu einer Überlappung mit dem Ende der Doppelbindung am Nachbaratom kommt.

So können die Elektronen der äusseren Bindung sich in die nächste äussere Bindung bewegen und umgekehrt. Entlang sich abwechselnder Einzel- und Doppelbindungen kann also ein Strom fliessen: Die Molekülkette ist also nichts anderes als ein winziges Stromkabel!

Wenn man diese Polymerketten mit anderen mischt, erhält man leitfähige Kunststoffe – zum Beispiel Lack, den man auf eine Oberfläche auftragen kann. Wirklich raffiniert wird PEDOT aber erst dadurch, dass es in einer dünnen Lackschicht farblos erscheint. Die meisten Moleküle, die miteinander vernetzte Pi-Bindungen enthalten, sind nämlich farbig (auch Lebensmittelfarbstoffe, wie sie zum Färben von Ostereiern verwendet werden, zeichnen sich durch derartige Netzwerke aus). PEDOT wirkt dagegen erst in dickeren Schichten bläulich. So kann man damit Oberflächen leitfähig machen, ohne dass sich ihre Farbe ändert.

2. Nichtleitende Antistatika ein- bzw. aufbringen

Ob nun Metall, Russ oder leitfähige Kunststoffe – die Verarbeitung dieser leitenden Antistatika ist immer mit Aufwand und Mehrkosten verbunden. Deshalb verwendet man sie vornehmlich da, wo es nicht anders geht: Zum Schutz von speziellen elektronischen Bauteilen, denen aufgestaute Ladung bzw. zu schnell abfliessende Ströme gefährlich werden können.

Im Alltag verwenden wir, wenn wir es für nötig erachten, stattdessen sogenannte nichtleitende Antistatika. Die bestehen aus einfachen, kleineren Molekülen, die leicht zu handhaben und an ihren Einsatzort zu bringen sind. Aber halt:

Wie können Nichtleiter Strom leiten?

Würden Nichtleiter Ladungen, also elektrischen Strom leiten können, wären sie schliesslich keine Nichtleiter. Deswegen brauchen die Nichtleiter im Antistatik-Einsatz Hilfe von einem leitfähigen Stoff: Wasser. Eigentlich ist reines Wasser nur wenig leitfähig, aber es bietet darin gelösten Ionen immerhin die Möglichkeit, sich frei zu bewegen. Und Ionen sind nun einmal geladene Teilchen. Wasser mit darin gelösten Ionen eignet sich daher prima, um unerwünschte Ladungen abzutransportieren.

Nur kann man mit Wasser nicht einfach Kunststoffe lackieren – zumal die meisten Kunststoffe Wasser nicht mögen – sie sind „hydrophob“ (das ist altgriechisch für „wasserscheu“) – und daher die meisten Wechselwirkungen mit dem kühlen Nass verweigern. So auch den Austausch elektrischer Ladungen.

Hilfreich: Die Superkräfte von Tensiden

Wenn ihr euch schon mit der Superwaschkraft von Seifen beschäftigt habt, kennt ihr dieses Problem wahrscheinlich schon: Wasserscheue (und damit gleichzeitig fettliebende) Stoffe verweigern die Zusammenarbeit mit Wasser. Abhilfe durch Molekül-Diplomatie schaffen da Tenside, die besonderen Moleküle, aus denen Seife besteht.

Besonders sind Tensid-Moleküle deshalb, weil sie – ähnlich wie Streichhölzer – aus zwei ganz unterschiedlichen Teilen bestehen: Einem wasserliebenden „Kopf“ und einem fettliebenden „Schwanz“. Da fettliebende Moleküle nur mit anderen Fettliebenden und wasserliebende Moleküle nur mit anderen Wasserliebenden verkehren wollen, sind solche „Zwitter“ die perfekten Vermittler.

Streichholzmodell: Tenside an der Wasseroberfläche
Auch Luft besteht grösstenteils aus wasserscheuen Stoffen. Deshalb richten Tenside an der Wasseroberfläche ihre „Schwänze“ zur Luft hin aus.

Geraten Tenside nämlich zwischen Wasser und einen fettliebenden Stoff, so richten sie ihre Köpfe zum Wasser aus und ihre Schwänze zum fettliebenden Material. Köpfchen in das Wasser, Schwänzchen in die Höh‘! So können Tenside mit beiden Stoffsorten wechselwirken – und das auch noch gleichzeitig. Über so geschaffene „Brücken“ können auch elektrische Ladungen den Weg vom unwegsamen Kunststoff ins bewegliche Wasser finden.

Antistatik-Sprays enthalten Tenside

Um eine Oberfläche leitfähig und damit passierbar für elektrische Ladungen zu machen, kann man also einfach Tenside mit Wasser aufsprühen (oder sie als Zusatzstoff in den Kunststoff einarbeiten). Deren wasserscheue Schwänze haften daraufhin an der Oberfläche, während die wasserliebenden Köpfe für den gewünschten Ladungsaustausch mit dem Wasserfilm darüber sorgen.

Die Wirkung von Antistatik-Sprays hat Grenzen

Der Wirksamkeit von antistatischen Tensiden zum Aufsprühen sind damit allerdings zwei einfache, aber kaum überwindbare physikalische Grenzen gesetzt:

  1. Die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, die zum Haften der Tenside an der Oberfläche führen, sind im Vergleich zu chemischen Bindungen ziemlich schwach. So genügt schon ein wenig Reibung, um die aufgesprühte Schicht wieder zu entfernen. Selbst Luftreibung führt dazu, dass die aufgesprühte Schicht mit der Zeit wieder abgetragen wird.
  2. Die Antistatik-Schicht funktioniert nur so lange, wie sie genügend Wasser enthält. Dass ein Grossteil des mit Antistatik-Spray aufgesprühten Wassers verdunstet, ist so gewollt. Wenn aber die Raumluft zu trocken ist, verdunstet bald zu viel Wasser, sodass die allein gelassenen Tenside ihre Wirkung nicht mehr entfalten können.

Und dann ist da noch die Schwerkraft: Staubteilchen, die von oben herabsinken, werden von Antistatika keineswegs abgelenkt, sondern fallen letztlich da hin, wo ihr Weg nach unten eben endet.

So können Antistatik-Sprays nur vorübergehend und unter den richtigen Bedingungen Wirkung zeigen. Nützliche Helferlein, um im Zimmer die Luftfeuchtigkeit hoch zu halten, sind Pflanzen, Zimmerbrunnen oder im Winter Wasserschalen auf der Heizung. Für solche sind Antistatik-Sprays kein Ersatz, sondern allenfalls eine Ergänzung.

Antistatik-Sprays zum Selbermachen: Was taugen die?

Wenn schon die Wirkung so eingeschränkt ist, lohnt sich dann womöglich teures Antistatik-Spray mit all seinen Inhaltstoffen aus der chemischen Industrie? Oder kann man das auch selber machen?

Viele Seiten, die sich mit nachhaltiger Lebensweise und DIY-Reinigungsmitteln beschäftigen, meinen: Ja. Und geben mehr oder minder unterschiedliche Rezepte an. Insgesamt finden sich neben Wasser vier Bestandteile immer wieder. Doch wie sinnvoll sind die?

Flüssigseife

Enthält Tenside für die Superwaschkraft. Da diese Moleküle ebenso den Austausch von Ladungen zwischen nichtleitenden Oberflächen und Wasser bzw. feuchter Luft ermöglichen sollen, macht diese Zutat noch am meisten Sinn. Inwieweit die als Seife gedachten Tenside solchen, die speziell für den Ladungsaustausch designt sein mögen, gleich kommen, bleibt allerdings offen.

Anion der Stearinsäure („Stearat“), ein gutes Tensid und typischer Bestandteil von Seife

Essig

Enthält Essigsäure – Tafelessig 3 bis 5%, der in der Schweiz gängige Haushaltsessig zum Putzen knapp 10% und Essigessenz bis zu 30%. Essigsäure ist eine Carbonsäure, die aus einem wasserscheuen Kohlenwasserstoffgerüst und einer wasserliebenden Säuregruppe* besteht.

*Besonders wasserliebend wird die Säuregruppe durch ihre Fähigkeit, ein H+-Ion abzugeben und als Carbonsäure-Anion (mit negativer elektrischer Ladung!) leicht mit dem Wasser zu wechselwirken.

Strukturformel von Essigsäure: Bei einem so winzigen wasserscheuen „Schäftchen“ gibt der Kopf den Ton an: Das Molekül als Ganzes ist wasserliebend. Das „H“ im roten Bereich kann zudem leicht als H+ abgegeben werden, was das Molekül zur Säure macht.

Das klingt doch irgendwie nach einem Tensid. Allerdings sind die Essigsäuremoleküle sehr klein, sodass der Anteil der wasserscheu haftenden Wechselwirkung ziemlich gering ausfallen dürfte.

Andere Carbonsäure-Anionen mit längeren Kohlenwasserstoffgerüsten würden da womöglich bessere Dienste leisten. Allerdings haben die nächstlängeren Verwandten der Essigsäure einen weitaus unangenehmeren Eigengeruch (Buttersäure z.B. enthält zwei Kohlenstoff-Atome mehr als Essigsäure, aber die möchte wirklich niemand riechen!).

Stearinsäure, eine langkettige Fettsäure (jede Zacke ist ein C-Atom!): Der lange wasserscheue „Schaft“ verleiht dem Molekül selbst dann noch wasserscheue Eigenschaften, wenn das H+ im roten Bereich abgegeben ist und somit ein Stearat-Anion mit äusserst wasserliebendem Kopf vorliegt. Aus solchen Fettsäure-Anionen bestehen Seifen!

Ausserdem ist Essigsäure – eben eine Säure. Und Säuren reagieren gerne mit verschiedenen Stoffen – besonders dann, wenn sie ständig daran kleben und entsprechend viel Zeit dazu erhalten. Auf Marmor und Kalkstein sollte man zum Beispiel niemals Essig aufsprühen. Diese Gesteine werden nämlich von Säuren sehr leicht angegriffen. Doch auch andere Oberflächen könnten bei längerer Anwendung irgendwann mit unliebsamen Überraschungen aufwarten.

Olivenöl

Besteht hauptsächlich aus Neutralfetten, die auch Triglyceride genannt werden. In diesen Molekülen sind Fettsäuren – also meist besonders langkettige Carbonsäuren – an Glycerin gebunden.

Lewis-Struktur eines Triglycerids: Diese Verbindungen nutzen in Antistatik-Sprays wenig
Ein Triglycerid oder „Fettmolekül“: Dank der langen Kohlenwasserstofketten (hier als Zickzack-Linien), die sich um das Glycerin (schwarz) winden, sind diese Moleküle wasserscheu!

Diese Moleküle tragen von sich aus keine elektrischen Ladungen und sind weder besonders sauer noch basisch – daher der Name. Ausserdem sind sie fettliebend – und damit wasserscheu. Diese Eigenschaften machen frische Pflanzenöle so wenig leitfähig, dass z.B. Rapsöl als flüssiges Isoliermaterial in der Energie- und Hochspannungstechnik eingesetzt werden kann.

Olivenöl als Quelle für Tenside?

Carbonsäuren mit langen Kohlenstoffketten? Die gäben doch prima Tenside ab! Wenn sie denn ungebunden und elektrisch geladen wären. In der Verbindung mit Glycerin zum Fettmolekül, die zur Familie der Ester gehört, sind sie dagegen nur wasserscheue, ungeladene Seitenketten eines wasserscheuen Moleküls. Das kann man ändern, wenn man das Fett mit einer Base mischt, um die Moleküle zu zerlegen: So stellt man schon seit Jahrtausenden Seife her.

In Gegenwart von Essigsäure (wie in vielen Rezepturen für DIY-Antistatik-Spray) können Fettmoleküle zwar auch gespalten werden, doch entstehen dabei – anders als bei der „Verseifung“ mittels Basen – vollständige Carbonsäure-Moleküle anstelle von Carbonsäure-Anionen. Und die geben ihr H+-Ion in Gegenwart der Essigsäure auch nachträglich kaum ab.

Naturgemäss finden sich in Pflanzenölen also stets ein paar freie Fettsäuren. Besonders dann, wenn das Öl schon etwas älter ist. Dann hatten Mikroorganismen und andere äussere Einflüsse nämlich viel Zeit, um das ein oder andere Fettmolekül zu zerlegen. In Gegenwart von Essig werden jedoch kaum Fettsäure-Anionen, sondern fast nur ungeladene Moleküle vorliegen. Wenn unter diesen Fettsäuren solche mit einem penetranten Eigengeruch sind, wird leicht erkenntbar, was dieser Prozess bedeutet: Das Öl wird ranzig.

Warum dann Olivenöl?

Vermutlich zielen solche Rezepturen auf die Pflege von Holzoberflächen oder allgemein den Glanz eines Ölfilms ab. Ob der Einsatz deshalb sinnvoll ist, wage ich dennoch zu bezweifeln. Nicht nur, weil Speiseöle leicht ranzig werden und Mikroben Tür und Tor ins Holz öffnen (Holz- und Möbelexperten empfehlen deshalb technisch aufbereitetes Leinöl, das diese Probleme nicht mitbringt, zur Holzpflege).

Wenn das Antistatik-Spray überdies Flüssigseife enthält, wird zudem ein Grossteil der Tenside aus der Seife mit der Vermittlung zwischen Wasser und Olivenöl beschäftigt, was zu Lasten der eigentlichen Antistatik-Wirkung gehen dürfte.

Ätherische Öle

Wie bereits erwähnt, hat Essig einen Eigengeruch, den nicht jeder mögen muss. Deshalb sollen ätherische Öle dazu dienen, diesen Geruch mit einem angenehmeren Duft zu überdecken.

Generell bin ich keine Freundin von solchen Manövern, zumal der eigentliche Störenfried dabei nicht beseitigt wird. Stattdessen kommen beachtliche Mengen des erwünschten Duftstoffs zum Einsatz, um erfolgreich mit dem Störgeruch zu konkurrieren. Das erachte ich bei Stoffen, die Allergien hervorrufen können (und das können ätherische Öle wie viele andere Naturstoffe auch!), nicht eben als erstrebenswert.

Immerhin: Für den Einsatz in selbstgemachten Reinigungsmitteln könnt ihr ein Öl, das alle (!) Mitglieder eures Haushalts mögen und vertragen, selbst aussuchen.

Zusammenfassung

Die Entstehung von Hausstaub ist unvermeidlich, kann aber nicht nur lästig, sondern auch zum Problem werden. Sogenannte Antistatika sollen Abhilfe schaffen – als leitende Zusatzstoffe in nichtleitenden Kunststoffen oder Lacken in der Elektrotechnik, oder als schnelle Hilfe in Form von nichtleitenden Antistatika zum Aufsprühen.

Die Wirkung solcher Antistatik-Sprays beruht auf Tensiden, also seifenartigen Molekülen, die das Abfliessen von elektrischen Ladungen aus einer nichtleitenden Oberfläche in einen leitenden Wasserfilm fördern sollen. Das funktioniert jedoch nur bei ausreichender Luftfeuchtigkeit und bis die Tensidschicht abgerieben wird.

Trotzdem wird eine Vielzahl von Sprays gegen Staub verkauft und im Netz finden sich viele Rezepturen für Antistatik-Spray zum Selbermachen. Neben Wasser enthalten diese DIY-Produkte in der Regel Flüssigseife (mit Tensiden), Essig (Säure mit Eigengeruch und wenig Tensid-Eigenschaften, die gegenüber manchen Oberflächen aggressiv sein kann), Olivenöl (das ranzig werden kann und die Wirksamkeit der Seife aufhebt) sowie ätherische Öle (als – unter Umständen allergieauslösende – Duftstoffe bzw. zur Überdeckung des Essiggeruchs).

Fazit

Aus meiner persönlichen Sicht ist der eingeschränkte Nutzen von Antistatik-Spray den Aufwand (und das Risiko einer Beeinträchtigung der behandelten Oberflächen) nicht wert. Da wische ich lieber regelmässig Staub – mit einem feuchten Lappen oder Schwamm, sodass ich möglichst wenig davon wieder aufwirbele. So kann ich den Staub ebenso regelmässig ganz aus den Räumen entfernen. Denn so lange er sich nicht absetzt, erscheint mir das kaum möglich.

An der Wirksamkeit von gängigen DIY-Antistatik-Sprays wage ich aus Chemikersicht zu zweifeln. Deshalb gibt es hier auch kein eigenes Rezept. Insbesondere dann, wenn Seife (die ja eigentlich auf Wirksamkeit hoffen lässt) darin auf Speiseöl trifft. Aber auch Chemiker sind nicht perfekt. Vielleicht habe ich ja etwas übersehen?

Dann freue ich mich auf eure Hinweise und Erfahrungen in den Kommentaren und die Möglichkeit, diesen Artikel ggfs. zu überarbeiten.

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Was passiert bei Blitz und Donner? – Wie Gewitter entstehen

Blitz und Donner - Wie entstehen eigentlich Gewitter?

Wir alle haben lange unter der Hitze gestöhnt und sehnlichst darauf gewartet, dass endlich ein Gewitter kommt und uns Regen und lang ersehnte Abkühlung bringt. In den letzten Tagen hat es dann über der Schweiz gehörig geblitzt und gerumpelt…denn Gewitter bringen noch mehr als Regen: Blitze und Donner nämlich. Und um die soll es heute gehen.

Wie entstehen eigentlich Gewitter?

Sicher habt ihr schon beobachtet, dass Gewitter sich durch riesige Wolkenberge am Horizont ankündigen. Diese Wolkenberge werden immer schwärzer und bedrohlicher, während sie sich nähern. Irgendwann schliesslich blitzt und kracht es ganz gewaltig, und der Himmel öffnet seine Schleusen für stürmische Windböen und einen mächtigen Regenguss.

Damit Wolken überhaupt entstehen, muss allerdings erst einmal Wasser verdunsten. Das bewerkstelligt die warme Sommersonne, die auf Gewässer und feuchten Erdboden scheint. Das flüssige Wasser wird mit Hilfe der Sonnenenergie gasförmig, sodass die einzelnen Teilchen des Wasserdampfs sich in der Luft verteilen können – die somit feucht wird.

Schwülwarme Luft + Kaltfront = Gewitterwolken

Wenn es dann so richtig düppig bzw. schwül, d.h. feuchtwarm ist und ein Schwall kühlerer Luft (eine „Kaltfront“) auf den feuchtwarmen Teil der Atmosphäre zustrebt, schiebt sich die kalte Luft zunächst über die warme Schicht. Wer allerdings schon einmal Heissluftballon gefahren ist, weiss, dass warme Luft stets nach oben steigt (weil warme Luft eine geringere Dichte hat als kühlere). So steigt die feuchtwarme Luft in die kalte Schicht auf und wird dabei abgekühlt.

Warum wird die aufsteigende Luft kühl?

Das Abkühlen rührt nicht etwa daher, dass sich kühle und wärmere Luft vermischen. Stattdessen ist der Luftdruck dafür verantwortlich: Der nimmt nämlich in grossen Höhen rasch ab (wer schon einmal mit dem Auto ins Gebirge gefahren ist, kennt ein untrügliches Anzeichen dafür: Das Knacken in den Ohren, wenn sich der Luftdruck im Innenohr dem niedrigeren Aussendruck anpasst).

Mit dem sinkenden Druck dehnt sich die Luft aus – und das bedeutet Arbeit. Arbeit wiederum ist ein anderer Ausdruck für aufgewendete Energie. Und die Gesetze der Thermodynamik schreiben vor, dass aufgewendete Energie stets irgendwo her bezogen werden muss – zum Beispiel aus der Wärme der sich ausdehnenden Luft (auch Wärme ist eine Form von Energie). Und wenn die Wärme zum Ausdehnen „verbraucht“ wird, wird es eben kalt.

Vom Schäfchen zur Gewitterwolke

Damit werden aus den anfangs gasförmigen Wasserteilchen winzige, flüssige Wassertröpfchen, die regelrechte Nebelballen bilden: Wolken. Ist nur wenig Luftfeuchtigkeit da, die sich verflüssigen („kondensieren“) kann, entstehen so harmlose Quellwolken – mehr oder weniger grosse „Schäfchen“, die die Wetterforscher „Cumulus-Wolken“ nennen.

Wenn genug Wasserdampf in der Luft ist, können diese Wolken allerdings sehr hoch werden. Der Umstand, dass beim Verflüssigen Energie frei wird (die sogenannte Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme – eine Schwester der Schmelzwärme, die ihr in diesem Versuch erforschen könnt), sorgt dafür, dass die Ausdehnung der Luft nicht gleich zur völligen Abkühlung führt. So kann die feuchtwarme Luft sehr hoch steigen – bis die Temperatur der feuchten Luft schliesslich doch auf die Temperatur der Umgebung absinkt. Und die kann gut und gerne deutlich unter 0°C liegen, sodass sich die Wassertröpfchen teilweise zu Eiskristallen verfestigen.

Dann ist ziemlich plötzlich Schluss mit Aufstieg, sodass grosse Wolkentürme (die die Wetterforscher dann „Cumulonimbus“ nennen) mitunter oben platt erscheinen.

Cumulonimbus-Wolke: Daraus wird ein Gewitter

Da braut sich etwas zusammen: Eine mächtige Cumulonimbus-Wolke türmt sich auf – hier ist ein Gewitter im Anzug! (Quelle: Pixabay)

Gewitterwolken sind Windkraftwerke

Das ganze Aufsteigen, Ausdehnen und allenfalls Absinken kälterer Luftmassen hält die Luft- und Wasserteilchen in der Wolke kräftig in Bewegung: In den Gewitterwolken toben wilde Winde (das ist ein Grund, weshalb man mit dem Flugzeug besser nicht da hinein fliegt). Und wo Wind weht, ist eines unvermeidbar: Reibung! Die Teilchen stossen und streifen einander…und wenn diese Begegnungen heftig genug sind, werden sie dabei „abgeschliffen“:

Einzelne Elektronen – jene Elementarteilchen, die eine negative elektrische Ladung tragen – lösen sich von den Eiskristallen und bleiben an den flüssigen Wassertröpfchen haften. Diese Tröpfchen, die nun zu viele Elektronen haben, sind folglich negativ geladen, während die „abgeschliffenen“ Eiskristalle positiv geladen zurück bleiben.

Ladungstrennung dank Dichteunterschied

Die Besonderheit an Wasser ist nun, dass es im festen Zustand „leichter“ (also weniger dicht) ist als kühles flüssiges Wasser (diese „Anomalie“ könnt ihr mit diesem Experiment sichtbar machen: Eis wächst!). Deshalb werden die positiv geladenen Eiskristalle leicht nach oben getrieben, während die Wassertröpfchen eher absinken.

So sammeln sich die verschiedenen Ladungen getrennt voneinander: Positive oben, negative unten. Das kennt man doch woher……genau: Eine Gewitterwolke ist nichts anderes als eine riesenmegagrosse Batterie, die mittels Windkraft aufgeladen wird!

Schema Ladungstrennung in einer Gewitterwolke

Ladungstrennung in einer Gewitterwolke: Durch Reibung werden Eiskristalle positiv und Wassertröpfchen negativ geladen. Die leichteren Eiskristalle sammeln sich oben, während die Wassertröpfchen sich unten in der Wolke sammeln. Von dort aus können die angehäuften negativen Ladungen im Zuge einer Entladung (Blitz) zur Erde hin abfliessen. Fallböen sorgen zudem für die plötzlichen stürmischen Winde, die während eines Gewitters auftreten können. (nach einer Grafik der Helmholtz-Wissensplattform „Erde und Umwelt“, ESKP [CC BY 4.0 ], via Wikimedia Commons)

Strom aus der Himmelsbatterie

Eine Batterie ist an sich eine feine Sache – kann man darin doch elektrische Energie speichern, indem man elektrische Ladungen getrennt aufbewahrt. Stellvertretend für das Ausmass dieser Trennung wird die elektrische Spannung angegeben: Die kleinen Batterien aus eurem Alltag liefern in der Regel eine Spannung von 1,5 bis 9 Volt.

Eine Cumulonimbus-Wolkenbatterie, die einen Kilometer hoch ist, kann dagegen bis auf 170 Millionen (170’000’000) Volt aufgeladen werden!

Alles darüber ist jedoch einfach zuviel: Es gibt unweigerlich einen Kurzschluss. Das bedeutet, die angehäuften negativen Ladungen fliessen in einen weniger negativen Bereich ab. Dieser Bereich kann der obere, positiv geladene Teil der Wolke sein, oder der Erdboden, welcher ebenfalls weniger negativ als der untere Wolkenteil geladen ist.

Für kurze Zeit fliesst also ein elektrischer Strom – und was für einer! Während mein modernes Handy-Ladegerät das Handy mit einer Stromstärke (Anzahl Ladungen, die in gegebener Zeit an einem Messpunkt vorbeikommen) von 1,5 Ampere auflädt, fliessen in einem Blitz kurzzeitig bis zu 100’000 Ampere! Bedenkt man, dass bereits 0,13 Ampere, die direkt durch einen menschlichen Körper fliessen, lebensgefährlich sein können, sollte man so einem Blitz wahrlich nicht zu nahe kommen.

Warum Blitze flackern: Von Leitblitz und Fangblitz zur Hauptentladung

Bevor so ein gewaltiger Strom fliessen kann, muss jedoch eine entsprechend gewaltige Leitung her. So beginnt eine Entladung der Wolkenbatterie damit, dass sich einige der an der Unterseite angehäuften negativen Ladungen einen Weg nach unten in Richtung Erde bahnen. Diesen ersten kleinen Strom nennen die Wetterforscher einen Leitblitz.

Am Erdboden gibt es bewegliche positive Ladungen, die von den herannahenden negativen Ladungen unweigerlich angezogen werden. So steigen sie durch die Luft nach oben auf. Wenn der so entstehende Fangblitz mit dem Leitblitz zusammentrifft, vereinigen sich beide zu einem regelrechten „Kabel“ aus sehr leitfähiger Luft. Durch dieses Kabel kann dann die Hauptentladung mit ihrer ganzen Wucht abfliessen.

Wenn ein Blitz also flackert, dann deshalb, weil wir zunächst Leit- und Fangblitz und erst einen Sekundenbruchteil später die Hauptentladung aufleuchten sehen. Wirklich sichtbar machen lässt sich das Geschehen aber nur mit Zeitlupen-Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.

Bewegliche positive Ladungen sammeln sich in Bodennähe übrigens besonders in hohen, schmalen Gegenständen wie hohen Gebäuden oder freistehenden Bäumen. So bildet sich an solchen Dingen besonders leicht ein Fangblitz, der einen Leitblitz in der Nähe regelrecht einfangen und die Hauptentladung zu seinem Ursprung leiten kann. Deshalb werden hoch aufragende Dinge besonders leicht vom Blitz getroffen.

Was passiert mit der elektrischen Energie?

Ein Strom von solch gewaltiger Stärke enthält eine gewaltige Menge Energie – die letztlich irgendwo hin muss. Ein Teil dieser Energie wird schon auf dem Weg des Stromflusses umgewandelt. Zahllose geladene Teilchen, die gemeinsam durch ein „Luft-Kabel“ rasen, verursachen nämlich eine Menge Reibung mit den Luftteilchen des Kabels. Folglich wird die Luft für einen Augenblick mächtig warm – so warm, dass sie hell aufleuchtet und sich um den Blitz herum schlagartig ausdehnt.

Da die Ausdehnung schon nach einem winzigen Sekundenbruchteil endet, breitet sie sich gleich einer einzelnen Druckwelle weiter aus – bis sie allenfalls unsere Ohren erreicht und wir (sofern wir dem Gewitter nahe genug sind) einen Knall hören: Den Donner. Wenn wir weiter vom Gewitter entfernt sind, wird diese Druckwelle mehr und mehr von Winden und Hindernissen auf ihrem Weg verzerrt und gedehnt, sodass der Donner mit wachsender Entfernung zum Gewitter immer mehr zu einem längeren Rumpeln und Grollen wird.

 

Wie Gewitter gefährlich werden können – und wie man sich davor schützt

Die Zerstörungskraft von Blitzen

Auch nach der Entstehung von Blitzlicht und Donner erreicht ein Blitz mit ungeheurer Energie den Boden – oder was eben darauf steht. Und genau dadurch müssen all die geladenen Teilchen nun weiter abfliessen. Wenn ein vom Blitz getroffener Gegenstand nun kein guter elektrischer Leiter ist, entsteht dabei wiederum eine Menge Reibung und damit Wärme und allenfalls Licht.

Wie man Gebäude vor Blitzen schützt

Brennbares Material wie Holz kann durch diese Wärme in Flammen aufgehen oder verkohlen auf der Stelle. So kann ein Blitz nicht nur einen Menschen töten, sondern auch einen ganzen Wald- oder Gebäudebrand auslösen. Damit das mit unseren Städten und Türmen nicht passiert, werden heute alle Gebäude mit einem Blitzableiter ausgerüstet. Das ist nichts anderes als ein dicker Draht aus leitfähigem Metall, der vom höchsten Punkt des Gebäudes bis in den Erdboden verläuft.

Die fliessenden Ladungen sind nämlich – wie alles in der Natur – ziemlich bequem: Wenn man ihnen einen besonders leichten Weg (durch den leitfähigen Draht) anbietet, dann nutzen sie diesen auch und geben sich mit dem weniger leitfähigen Material nicht ab. Im Erdboden angekommen haben die Ladungen schliesslich so viel Raum, dass sie sich verteilen können, ohne weiteren Schaden anzurichten.

Gewitter in Paris: Gleich drei Blitze schlage in den Eiffelturm ein

Einer der grössten Blitzableiter der Welt? Der Eiffelturm ragt 1902 (und heute noch) hoch über Paris auf und ist damit ein leichtes Ziel für Blitze. Ganz aus Metall würde er den Strom sehr gut leiten – wenn da die Rostschutzlackierung nicht wäre. Aber zum Glück waren Blitzableiter bereits vor 116 Jahren bekannt und in Verwendung (die wurden nämlich schon um 1750 von Benjamin Franklin erfunden). (Aus: Thunder and Lightning (Blitz und Donner) von Camille Flammarion, veröffentlicht 1906)

Das Auto als Faraday’scher Käfig – kein Mythos!

Auf ähnliche Weise sind übrigens Autos geschützt: Die Aussenhülle von Autos besteht aus leitfähigem Metall – und in die heutigen Autoreifen werden ebenfalls leitfähige Bestandteile eingearbeitet (das Gummi wäre allein nicht leitfähig), sodass die Hülle des Autos leitend mit dem Erdboden verbunden ist. Würde nun ein Blitz in das Auto einschlagen, flösse der Strom aussen herum durch die Hülle und die Reifen ab, während der Innenraum – samt Menschen darin – davon unberührt bliebe! Eine solche geschlossene, leitfähige Hülle, die ihr Inneres vor Stromschlägen schützen kann, nennen die Physiker einen „Faraday’schen Käfig“ (weil tatsächlich schon ein Drahtnetz ausreichen kann, um den Strom vom Inneren fern zu halten).

Auch ein Verkehrsflugzeug stellt einen Faraday’schen Käfig dar. Wenn ein solches in ein Gewitter gerät und von einem Blitz getroffen wird (und das passiert jedem Flugzeug irgendwann in seiner „Lebenszeit“), fliesst der Strom durch die metallene Aussenhülle wieder zurück in die Luft ab. Passagiere, Crew, Turbinen und sogar die empfindliche Elektronik im Inneren bleiben davon in der Regel unbehelligt (abgesehen von dem Schreck, wenn es plötzlich kracht).

Wie ihr euch selbst vor Blitzen schützen könnt

Die einfachste Möglichkeit, euch selbst vor Blitzen zu schützen: Haltet euch bei einem Gewitter in einem Gebäude mit Blitzableiter oder in einem Faraday’schen Käfig auf. Wenn ihr abseits von Gebäuden draussen unterwegs seid und ein Auto in der Nähe ist, steigt ein und schliesst die Türen. Sollte das Gewitter euch sehr nahe kommen, ehe ihr einen sicheren Unterschlupf erreichen könnt, sucht euch einen möglichst tief gelegenen Ort (eine Senke oder dergleichen) und legt euch flach hin. Ihr wollt ja schliesslich nicht als hoch aufragendes Objekt Ausgangspunkt eines Fangblitzes werden.

Meidet aber freistehende Bäume und andere hohe Dinge – wenn die statt euch vom Blitz getroffen werden, könnten sie über euch einstürzen oder in Flammen aufgehen! Wenn es zudem stürmt, braucht es nicht einmal einen Blitz, um einen gefährlich schweren Ast vom Baum stürzen zu lassen.

Wie ihr die Entfernung eines Gewitters bestimmt

Wie nahe euch ein Gewitter ist, könnt ihr übrigens ganz einfach abschätzen. Das Licht von Blitzen breitet sich nämlich sehr viel schneller als der Schall des Donners aus! Tatsächlich ist die Lichtgeschwindigkeit so hoch, dass wir einen Blitz in „hörbarem“ Abstand praktisch sofort sehen. Der Donner braucht dagegen für jede 300 Meter Abstand eine ganze Sekunde, bis er uns erreicht.

Wenn ihr einen Blitz seht, zählt also die Sekunden, bis ihr den Donner hört (wenn ihr keine Uhr mit Sekundenzeiger zur Hand habt, beginnt ruhig ab 21 („einundzwanzig“) zu zählen, und nehmt die Einerstellen als gezählte Sekunden). Dann rechnet die Anzahl verstrichener Sekunden mal 300 und ihr erhaltet euren Abstand zum Gewitter.

Wenn ihr das Ganze mehrmals wiederholt, könnt ihr sogar feststellen, ob sich das Gewitter euch nähert oder sich entfernt: Werden die Abstände zwischen Blitz und Donner kürzer, kommt das Gewitter näher – dann ist draussen besondere Vorsicht angesagt – werden die Abstände länger, dann zieht es von euch weg. Sollten sich die Abstände gar nicht ändern, steht das Gewitter (im Vergleich zu eurer Position) oder bewegt sich allenfalls auf einer Kreisbahn um euch herum.

Was passiert mit den Ladungen im Boden?

Wenn ihr aufmerksam gelesen habt, ist euch vielleicht schon etwas aufgefallen: Wenn negative Ladungen aus dem unteren Teil von Gewitterwolken zum Erdboden abfliessen, müsste dieser sich zunehmend negativ aufladen, während die positiven Ladungen in der Wolke bzw. der Luft verbleiben. Genau das geschieht auch – jedoch sind diese Ansammlungen für eine schnelle Entladung zu weit voneinander entfernt.

Stattdessen gelangen die negativ geladenen Teilchen, sobald das Gewitter vorbei ist, durch zufällige Bewegung langsam, d.h. über Tage in die Luft zurück. Dort können sie, wenn sie auf positiv geladene Teilchen treffen, allmählich wieder entladen werden. Bis sie in die nächste windige Gewitterwolke geraten und eine neue elektrische Reise zur Erde antreten – oder in einem waagerechten Blitz von Wolke zu Wolke entladen werden.

Habt ihr nun Lust, mit elektrischen Ladungen zu experimentieren und eure eigenen Blitze zu machen? Dann schaut einmal hier in der Mitmachkiste vorbei und probiert die wahrhaft elektrisierenden Experimente vom letzten Freitag!

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Experimente zur Elektrostatik : Blitze selber machen!

Experimente mit Elektrostatik: Blitze selber machen!

Ein langer, heisser Sommer geht heute zu Ende – sagen sie im Radio. Und wahrlich haben wir in den vergangenen Wochen oftmals vergeblich auf Gewitter mit reichlich Regen und Abkühlung im Gepäck gewartet. Seit vorgestern geht es aber endlich wieder ordentlich rund. Blitze längs und quer über den Himmel und dazu lauter Donner künden Wind und – endlich – Regen an.

Aber was sind Gewitter eigentlich? Die meisten von euch werden wissen, dass Blitze etwas mit Elektrizität zu tun haben. Aber was ist denn nun wieder Elektrizität?

Heute beantworte ich nicht nur diese Frage, sondern zeige euch auch ein paar ganz einfache Experimente, in welchen ihr selbst Elektrizität und sogar eure eigenen Blitze (im winzigkleinen Miniaturformat – ganz harmlos!) erzeugen könnt.

Was ist Elektrizität?

Landläufig werden mit „Elektrizität“ alle möglichen Erscheinungen und Technik rund um elektrische Aufladung und elektrischen Strom bezeichnet. Das erklärt aber nicht, worum es sich dabei handelt. Um das zu verstehen, müssen wir uns die winzigkleinen Teilchen, aus denen alle Stoffe bestehen, genauer ansehen.

Der Ursprung der Elektrizität: Eine Eigenschaft von Teilchen

Ursache für alle elektrischen Erscheinungen ist nämlich eine Eigenschaft dieser kleinen Teilchen. Die vielleicht naheliegendste Eigenschaft von Teilchen (und allen anderen Dingen) ist ihre Masse. Eine weitere Eigenschaft – um die es mir heute geht, ist die „elektrische Ladung“. Die gehört zu vielen Teilchen ebenso, wie den Teilchen ihre Masse gehört, oder einem Legostein seine rote Farbe.

Die elektrische Ladung gibt es in zwei (ganz streng genommen in drei) Formen, so, wie Legosteine rot oder blau sein können. Die Physiker nennen diese beiden Formen jedoch nicht „rot“ und „blau“, sondern „positiv“ bzw. „+“ (plus) und „negativ“ bzw. „-“ (minus). Ein Teilchen kann also eine Ladung „+“ oder „-“ haben – oder gar keine Ladung. Das nennen die Physiker die Ladung „0“ (null).

Elektrische Ladungen im Atom

Ein Atom besteht nun aus mehreren kleineren Teilchen mit verschiedenen elektrischen Ladungen. Im Atomkern befinden sich die Protonen, die eine Ladung „+“ haben, und die Neutronen mit der Ladung „0“. In der Atomhülle findet man die Elektronen, die eine Ladung „-“ tragen. Wenn man nun für jedes Proton +1, für jedes Neutron +0 und für jedes Elektron -1 rechnet, kommt man bei einem normalen Atom am Ende auf die Summe „0“. Das Atom hat – von aussen betrachtet – keine elektrische Ladung.

Es ist allerdings ganz leicht, Elektronen aus einem Atom zu entfernen oder weitere hinzuzufügen. Wenn das passiert, kommt bei der Addition aller Ladungen nicht mehr „0“ heraus. Von aussen gesehen hat das Atom damit eine elektrische Ladung (Physiker und Chemiker nennen ein solches Atom ein „Ion“)! Die ist positiv, wenn Elektronen fehlen, und negativ, wenn zusätzliche Elektronen im Atom sind. Ebenso sind entferne Elektronen nun von aussen „sichtbar“ elektrisch geladen. Und wenn man Elektronen und geladene Atome bewegt, bewegen sich ihre Ladungen natürlich mit.

Das Coulomb’sche Gesetz sorgt für Bewegung

Für elektrische Ladungen gelten zwei grundlegende physikalische Regeln, die gerne als das „Coulomb’sche Gesetz“ zusammengefasst werden:

1. Verschiedenartige Ladungen ziehen einander an.
2. Gleichartige Ladungen stossen einander ab.

(Für diejenigen, die mit der Physik schon etwas weiter sind: Sowohl die Anziehung auch die Abstossung zwischen Ladungen nehmen um so mehr zu, je näher sich die Ladungen kommen.)

Diese beiden Regeln sorgen ungemein für Bewegung in der Teilchenwelt. So streben zwei einander nahe „freie“ Elektronen, die beide eine Ladung „-“ tragen, wie von Geisterhand voneinander weg, während ein Elektron unweigerlich auf ein Ion mit positiver Ladung zustrebt.

Teilchenwanderung im Alltag

Einzelne Teilchen können wir dabei freilich nicht mit unseren Sinnen beobachten. Aber wenn genügend geladene Teilchen in Bewegung sind, können wir die Folgen dieser Bewegung wahrnehmen. Und solche Bewegungen sind für uns heute alltäglich: In einer Batterie werden Elektronen (mit der Ladung „-„) und positiv geladene Teilchen (mit der Ladung „+“) getrennt voneinander aufbewahrt. Sobald man zwischen den Teilchenlagern eine Verbindung (z.B. durch ein Kabel) herstellt, wandern (oder besser: fliessen) die Elektronen durch das Kabel der Anziehung folgend zu den positiven Ladungen hin. Dieser Strom von Elektronen auf Wanderschaft ist das, was wir „elektrischen Strom“ nennen!

Und wie alle bewegten Dingen enthält der elektrische Strom Energie, die in andere Energieformen wie Licht, Wärme oder Bewegung anderer Dinge umgewandelt werden kann (mehr zur Energie und ihren Formen erfahrt ihr hier).

Wie ihr selbst Ladungen trennen und Blitze machen könnt

Von den Atomen in vielen Stoffen könnt ihr ganz leicht Elektronen abreiben. Dazu zählen einige Kunststoffe, die ihr in eurem Haushalt finden könnt, das Fell von Tieren, aber auch eure eigenen Haare! Mit diesen Dingen könnt ihr ein paar einfache, aber wirkungsvolle Experimente machen. Sie alle funktionieren übrigens am besten bei trockener Witterung mit geringer Luftfeuchtigkeit. Dabei werden nämlich elektrische Ladungen getrennt gesammelt. Und die fliessen in feuchter Umgebung schnell wieder woandershin ab, anstatt am gewünschten Ort zu bleiben!

1.) Der klebende Luftballon

Diesen Klassiker hat schon mein Physikervater oft mit uns gemacht – und wir hatten als Kinder riesigen Spass daran: Blast einen Luftballon auf (nicht zu prall, damit er nicht platzt!) und reibt ihn kräftig an einem Wollpullover oder eurem Kopfhaar. Wenn es dabei hörbar knistert, legt den Ballon mit der geriebenen Seite an eine tapezierte Wand und lasst ihn los. Der Ballon bleibt an der Wand haften!

Oder haltet den Ballon mit etwas Abstand über einen Kopf mit feinem, trockenen Kinderhaar. Lasst das Kind dabei vor einem Spiegel stehen, denn: Die Haare werden angezogen – und die so entstehende Struwwelpeter-Frisur soll ja allen Beteiligten Spass machen!

Der durch Reibung aufgeladene Ballon zieht meine Haare an!

Funktioniert auch mit langen Erwachsenenhaaren (die am besten frisch gewaschen sind): Der Ballon zieht die Haare an!

 

2. Der „furchtsame“ Kunststoffstab

Der Klassiker aus dem Physikunterricht: Knotet einen Bindfaden um den Schwerpunkt eines länglichen Gegenstands aus Kunststoff (zum Beispiel ein Stück Plastikbesteck) und haltet es am freien Ende des Fadens so, dass es frei und möglichst bewegungslos schwebt. Nähert ein zweites Kunststoff-Stück, das ihr zuvor kräftig an Wolle gerieben habt, langsam dem schwebenden Stück an. Das schwebende Stück wird sich von dem geladenen Kunststoff wegdrehen. Durch Annäherung aus der entgegengesetzten Richtung lässt sich die Drehrichtung auch umkehren!

Das aufgehängte Plastikmesser dreht sich in Pfeilrichtung vom aufgeladenen Plastik fort.

Gleiche Ladungen stossen sich ab: Der rote Pfeil deutet die Drehrichtung des aufgehängten Plastikmessers an.

3. Mit Abfall Blitze machen

So könnt ihr eure eigenen Blitze machen (die Idee dazu habe ich von Alli Sonnier von Learn-Play-Imagine): Ihr braucht dazu eine saubere Grillschale oder Lebensmittelverpackung aus Aluminium, einen Bleistift mit Radiergummi, eine Reisszwecke, ein Stück Styropor und ein Kleidungsstück aus Wolle.

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen: Styropor, Aluminium-Schale, Wollschal, Bleistift und Reisszwecke

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen!

Die Reisszwecke stecht ihr in der Mitte der Alu-Schale von unten durch den Boden und dann in den Radiergummi am Ende des Bleistifts. Jetzt könnt ihr das Ganze am Bleistift hochheben, ohne mit der Schale in Berührung zu kommen. Reibt nun das Styropor-Stück eine Weile kräftig an der Wolle (nehmt euch dafür ruhig rund 2 Minuten Zeit!). Legt den Styropor nun auf einem nicht-leitenden, trockenen Platz (z.B. einem Holztisch) ab und senkt die Alu-Schale am Bleistift langsam darüber ab. Hört dabei aufmerksam hin! Im besten Fall sollte die Schale den Styropor nicht berühren – gebt darauf gründlich acht, da Styropor und Alu-Schale einander anziehen.

Die aufgespiesste Aluschale schwebt über dem Styroporblock. Noch ein Bisschen näher, und die Funken werden vernehmlich knistern!

Langsam nähere ich meine Alu-Schale dem aufgeladenen Styroporblock an. Noch einen Moment, dann wird es knistern! Der Funkenschlag selbst geht allerdings so schnell, dass er sich nicht fotografieren lässt.

Wenn die Alu-Schale dem Styropor nahe kommt, könnt ihr ein verräterisches Knistern hören. Wenn ihr das Ganze in einem dunklen Raum ausprobiert, könnt ihr vielleicht sogar kleine Funken sehen. Richtig – das sind Blitze im Miniatur-Format, und das Knistern ist der Miniatur-Donner dazu!

Was geschieht da?

Durch das Reiben der Gegenstände aneinander werden geladene Teilchen geradezu von der Oberfläche der Dinge abgerubbelt – und bleiben an der Oberfläche des Gegenstücks haften. Wenn wir annehmen, dass Elektronen vom Kunststoff abgerieben werden und an der Wolle oder Haaren haften bleiben, trägt die Wolle nach dem Reiben negative Ladungen, während der Kunststoff – die Ballonhülle oder das Plastikmesser – positiv geladen ist.

Elektrostatische Anziehung und Abstossung

Diese unterschiedlichen Ladungen ziehen sich an – so stark, dass der geladene Ballon an der Wand (die ebenfalls negative Ladungen trägt) haftet, anstatt zu Boden zu fallen, oder dass die leichten Haare sich der Schwerkraft entgegen aufrichten!

Das schwebende und das geriebene Plastikmesser sind dagegen beide positiv geladen (ein paar Elektronen werden allein schon durch das Anfassen und die Bewegung des schwebenden Messers abgerieben), sodass sie einander abstossen – und zwar so stark, dass das sich langssam drehende Messer abbremst und sich in die Gegenrichtung zu bewegen beginnt!

Im Übrigen: Wenn euch die Plastikmesser bekannt vorkommen, dann nicht umsonst. Auf derselben Abstossung beruht nämlich auch das magische Harry-Potter-Experiment mit dem krummeln Wasserstrahl!

Wie aus elektrostatischer Aufladung Blitze werden

Durch das gründliche Reiben des Styropors sammeln sich schliesslich so viele Ladungen auf der Styropor-Oberfläche an, dass sie – der Anziehung folgend – den schmalen, luftgefüllen Spalt zwischen Styropor und Aluminium* überqueren können: Für einen Sekundenbruchteil fliesst Strom durch die Luft – ein Funke springt über. Genau das passiert auch bei einem Gewitter – nur sind die Funken dabei sehr, sehr, sehr viel grösser und werden dann Blitze genannt.

Wie in einer Gewitterwolke Ladungen für so grosse Funken zusammenkommen und warum Blitze (und eure Miniatur-Funken) leuchten und lärmen, erkläre ich euch am Montag ausführlich.

*Wenn ihr euch nun fragt, warum das funktioniert, obwohl ihr das Aluminium nicht aufgeladen habt: Aluminium ist ein Metall, in welchem – anders als in Kunststoffen – Elektronen sich prima bewegen können. So sorgt schon die Nähe der Ladung des Styropors dafür, dass die Elektronen im Aluminium sich so verschieben, dass an dessen Oberfläche eine dem Styropor entgegengesetzte Ladung entsteht: Die beiden Teile ziehen sich an und es kommt allenfalls zum Funkensprung.

Bis dahin wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren und Beobachten! Probiert doch auch aus, was ihr sonst noch aufladen und anziehen oder abstossen könnt (zum Beispiel: Wer bringt Styroporflocken zum Fliegen?)!

Hast du die Experimente nachgemacht:

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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