Eis leitet keinen Strom? Ist Ihnen das Physikwissen in „Nezha 2“ aufgefallen?

Gutachter: Zhou Hongzhi, leitender Labortechniker, Master-Betreuer, Fakultät für Physik und Optoelektronik, Technische Universität Peking

Ist Ihnen nach dem Ansehen des Kinohits „Nezha: Das Teufelskind besiegt den Drachenkönig“ ein „physikalisches Gesetz der Kultivierung“ aufgefallen? Als „Ao Bings Nezha“ und Shen Zhengdao in einer Pattsituation steckten, kamen ihnen die physikalischen Kenntnisse zugute: „Blitze leiten Elektrizität im Wasser! Aber Ao Bings Eis ist ein Isolator!“

Die Struktur des Eises

Eis ist eine feste Substanz, die bei niedrigen Temperaturen aus Wasser entsteht und deren Molekularstruktur bestimmte Besonderheiten aufweist. Ein Wassermolekül (H2O) besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Die Sauerstoffatome sind teilweise negativ und die Wasserstoffatome teilweise positiv geladen. Sie sind durch kovalente Bindungen miteinander verbunden und bilden aufgrund des Mangels an freien Elektronen ein Material mit hohem Widerstand.

Warum leitet Eis keinen Strom?

Ob eine Substanz leitfähig ist oder nicht, zeigt sich in ihrem Volumenwiderstand, also der Anzahl der freien Elektronen oder Ionen in ihrem Inneren. Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto besser ist die Leitfähigkeit und umgekehrt. Normalerweise sagt man: Die Größe des Leitungsstroms hängt von der Größe der Spannung und des Widerstands ab.

In reinem flüssigem Wasser gibt es eine starke Wasserstoffbrücke zwischen den Wassermolekülen und die Anzahl der freien Elektronen, die gebildet werden können, ist äußerst gering. In festem Eis bilden Wassermoleküle durch Wasserstoffbrücken eine regelmäßige Kristallstruktur. Für die Leitung stehen weniger freie Elektronen zur Verfügung, der Volumenwiderstand ist höher und die natürliche Leitfähigkeit ist sehr schlecht.

Warum leitet Wasser Strom?

Der Grund, warum Wasser im Leben Elektrizität leiten kann, liegt hauptsächlich darin, dass es andere Substanzen, insbesondere Elektrolyte, auflösen kann.

Wenn sich Elektrolyte in Wasser auflösen, zerfallen sie in positive und negative Ionen. Wenn sich beispielsweise Speisesalz (Natriumchlorid, NaCl) in Wasser auflöst, werden daraus Natriumionen (Na⁺) und Chloridionen (Cl⁻) gebildet. Diese Ionen bewegen sich frei im Wasser und reduzieren den elektrischen Widerstand des Körpers erheblich.

Wenn eine Spannung an das Wasser angelegt wird, bewegen sich Ionen und es entsteht ein elektrischer Strom. Aus diesem Grund kann Wasser Strom leiten. Die Qualität der Leitfähigkeit hängt von der Anzahl der im Elektrolyten enthaltenen freien Ionen ab. Je mehr freie Ionen vorhanden sind, desto geringer ist der Bahnwiderstand und desto besser ist die Leitfähigkeit.

Wasser in der natürlichen Umgebung enthält normalerweise verschiedene Mineralien und Verunreinigungen, die die Leitfähigkeit des Wassers erheblich erhöhen können. Wenn wir also normalerweise sagen „Wasser leitet Strom“, meinen wir eigentlich Wasser, das Verunreinigungen enthält.

Beachten Sie, dass sich die Leitfähigkeit von Eis in Abhängigkeit von den folgenden Bedingungen ändert:

0 1 Vorhandensein von Verunreinigungen

Wenn das Eis gelöste Salze (wie etwa NaCl) oder andere Elektrolyte enthält, dissoziieren diese Verunreinigungen in freie Ionen (wie etwa Na⁺ und Cl⁻), wodurch das Eis eine gewisse Leitfähigkeit erhält. Wenn beispielsweise Meerwasser gefriert, weist das Eis aufgrund des darin enthaltenen Salzes eine gewisse Leitfähigkeit auf.

0 2 Temperaturänderung

In der Nähe des Gefrierpunkts (0 °C) kann sich auf der Eisoberfläche ein sehr dünner Wasserfilm bilden. Dieser Wasserfilm kommt mit der Luft in Kontakt und löst sich in Elektrolyte auf, wodurch die Anwesenheit frei beweglicher Ionen im flüssigen Wasser und somit die Leitung von Elektrizität ermöglicht wird. Bei extrem niedrigen Temperaturen (z. B. unter -50 °C) kommt es jedoch zur Ausfällung des Elektrolyten, wodurch die Leitfähigkeit des Eises weiter abnimmt.

0 3 Hochdruckumgebung

Unter Hochdruckbedingungen kann sich die Kristallstruktur des Eises verändern und verschiedene Eisformen bilden. Die Leitfähigkeit dieses Hochdruckeises kann sich von der von gewöhnlichem Eis unterscheiden. Die diesbezüglichen Forschungen dauern noch an.

Nachdem wir das Prinzip der Stromleitung von Wasser und Eis verstanden haben, können wir leichter nachvollziehen, wie die Sicherheit der Stromnutzung gewährleistet werden kann. Das Zusammentreffen von Wasser und Elektrizität ist oft mit Gefahren verbunden. Daher ist es wichtig, einige Grundkenntnisse zur elektrischen Sicherheit zu beherrschen.

Achten Sie bei der Benutzung von Elektrogeräten immer auf trockene Hände und Körper. Betreiben Sie keine elektrischen Geräte, wenn diese mit Wasser in Berührung kommen, insbesondere keine, die nicht wasserdicht sind.

Achten Sie im häuslichen Umfeld darauf, dass alle elektrischen Kabel und Steckdosen von Wasser ferngehalten werden und überprüfen Sie die Kabel regelmäßig auf Verschleiß oder Beschädigung. Beachten Sie beim Umgang mit Elektrogeräten die Hinweise des Herstellers und überlasten Sie das Gerät nicht.

Diese Brände dürfen auf keinen Fall mit Wasser gelöscht werden!

Nach einem Brand besteht die erste Reaktion vieler Menschen darin, das Feuer mit Wasser zu löschen. Tatsächlich ist diese Idee falsch! Bei einem plötzlichen Brand sollte man Ruhe bewahren, die Brandart analysieren und entsprechend löschen. Folgende Brände dürfen auf keinen Fall mit Wasser gelöscht werden.

Elektrisches Feuer

Wenn die Stromzufuhr nicht unterbrochen werden kann, verwenden Sie zum Löschen eines elektrischen Feuers niemals Wasser oder Schaum, da sowohl Wasser als auch Schaum Strom leiten können.

Zum Löschen des Feuers sollten Kohlendioxid, Trockenpulverfeuerlöscher oder trockener Sand verwendet werden und ein Abstand von mehr als 2 Metern zu elektrischen Geräten und Leitungen eingehalten werden.

Brand in Hochspannungsanlagen

Verwenden Sie zum Löschen des Feuers kein Wasser, wenn Sie nicht über eine gute Erdung verfügen oder die Stromversorgung unterbrochen haben. Erstens kann Wasser aufgrund seiner Leitfähigkeit leicht zu Kurzschlüssen und Bränden in Geräten führen. Zweitens kann es bei der Brandbekämpfung mit Wasser leicht dazu kommen, dass Hochspannungsströme durch die Wassersäule auf die Feuerlöschgeräte übertragen werden und zu Verletzungen durch Stromschläge und Todesfällen führen.

Bei dieser Art von Feuer ist es erforderlich, dass professionelle Feuerwehrleute den Brand mit entsprechender Schutzausrüstung löschen, nachdem sie die Stromversorgung unterbrochen haben.