Wieso wird ein Wasserstrahl abgelenkt?

Das tanzende Wasser: Warum ein Wasserstrahl sich von einem geladenen Stab verführen lässt

Wer hätte gedacht, dass Wasser, dieses allgegenwärtige und scheinbar einfache Element, so faszinierende physikalische Geheimnisse birgt? Ein beliebtes und verblüffendes Experiment verdeutlicht dies: Man reibt einen Kunststoffstab (z.B. einen Kugelschreiber oder einen Kamm) an einem Wollpullover oder den Haaren, wodurch er statisch aufgeladen wird. Hält man diesen geladenen Stab dann in die Nähe eines dünnen, fließenden Wasserstrahls, geschieht etwas Unerwartetes: Der Wasserstrahl krümmt sich und bewegt sich auf den Stab zu! Doch warum tanzt das Wasser so bereitwillig nach der Pfeife des geladenen Stabs?

Die Antwort liegt in der besonderen Natur des Wassermoleküls und seinem sogenannten Dipolmoment.

Das Wassermolekül: Ein kleiner Magnet

Ein Wassermolekül (H₂O) besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Diese sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern in einem Winkel zueinander angeordnet. Sauerstoff ist elektronegativer als Wasserstoff, das heißt, es zieht die Elektronen stärker an sich. Dadurch entsteht eine ungleiche Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls: Das Sauerstoffatom trägt eine leicht negative Teilladung (δ-), während die Wasserstoffatome leicht positiv geladen sind (δ+).

Diese ungleiche Ladungsverteilung macht das Wassermolekül zu einem Dipol. Vereinfacht gesagt, kann man sich das Wassermolekül wie einen winzigen Magneten mit einem positiven und einem negativen Pol vorstellen.

Die Ausrichtung im elektrischen Feld

Wenn nun ein geladener Stab in die Nähe des Wasserstrahls gebracht wird, entsteht ein elektrisches Feld. Dieses Feld übt eine Kraft auf die geladenen Teilchen im Wassermolekül aus. Die positiven Enden der Wassermoleküle (die Wasserstoffatome) werden von einem negativ geladenen Stab angezogen, während die negativen Enden (das Sauerstoffatom) abgestoßen werden. Umgekehrt verhält es sich bei einem positiv geladenen Stab.

Wichtig ist hier, dass die Wassermoleküle sich nicht einfach nur anziehen oder abstoßen. Stattdessen richten sie sich aus. Sie drehen sich so, dass ihre positive oder negative Seite (je nach Ladung des Stabs) in Richtung des elektrischen Feldes zeigt. Diese Ausrichtung benötigt Energie und ist daher nicht perfekt, aber ausreichend, um eine Netto-Anziehungskraft zu erzeugen.

Die Kraft der Feldstärke

Die Anziehungskraft, die die Wassermoleküle erfahren, ist proportional zur Feldstärke des elektrischen Feldes. Das bedeutet, je näher die Wassermoleküle dem geladenen Stab sind, desto stärker ist die Kraft, die auf sie wirkt. Da die Wassermoleküle im vorderen Bereich des Strahls näher am Stab sind, erfahren sie eine stärkere Anziehungskraft als die Moleküle im hinteren Bereich.

Dieser Unterschied in der Anziehungskraft führt dazu, dass der Wasserstrahl sich zum Stab hinbiegt. Die Wassermoleküle werden sozusagen in den Bereich höherer Feldstärke “gezogen”.

Warum es funktioniert

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ablenkung des Wasserstrahls durch einen geladenen Stab auf folgenden Faktoren beruht:

• Dipolmoment der Wassermoleküle: Die ungleiche Ladungsverteilung macht sie zu kleinen “Magneten”.
• Elektrisches Feld des geladenen Stabs: Dieses Feld übt Kräfte auf die geladenen Teilchen im Wasser aus.
• Ausrichtung der Wassermoleküle: Die Moleküle richten sich im elektrischen Feld aus.
• Feldstärke: Die Anziehungskraft ist proportional zur Feldstärke, was zu einer Ablenkung des Strahls führt.

Dieses einfache Experiment ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie komplexe physikalische Phänomene im Alltag sichtbar werden. Es zeigt uns, dass selbst scheinbar einfache Substanzen wie Wasser überraschende Eigenschaften besitzen, die es wert sind, erforscht zu werden.