Elektrische Energie


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Einführung

Strom ist aus dem heutigen Leben nicht mehr weg zu denken, er ist eines der wichtigsten Energiequellen. Das besondere an Strom als Energieträger ist seine Transportierbarkeit. Doch was ist die elektrische Energie und wie kann sie umgewandelt und genutzt werden.

Bevor wir uns dem Thema widmen, könnte es nützlich sein die folgenden Themen zu wiederholen:

Elektrische Energie

Elektrische Energie kann vielseitig zum einsatz kommen, sie lässt sich mit geringen Verlusten in andere Energieformen umwandeln und lässt sich sehr gut über große Distanzen transportieren.

Als elektrische Energie \(E\) bezeichent man die Energieform, welche mittels Strom oder elektrischen Feldern übertagen wird. Wird die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt, dann wird elektrische Arbeit verrichtet.

Die Einheit der elektrische Energie ist Wattsekunde \([Ws]\). Dabei ist \(1Ws=1J\) (Joule).

Elektrische Energie die Formel

Die elektrischen Energie berechnet sich über das Produkt aus Strom \(I\), Spannung \(U\) und Zeit \(t\). Dabei ist es wichtig, dass der Strom und die Spannung während dieser Zeit konstant sind.

Elektrische Energie

\(E=U\cdot I\cdot t\)

Dabei ist:

  • \(U\) sie Spannung in Volt [V]

  • \(I\) die Stromstärke in Ampere [A]

  • \(t\) die Zeit in Sekunden [s]



Beispiel:

In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle von \(250V\) fließt in einem Zeitraum von \(10\) Sekunden einen Strom der stärke \(1A\). Wie groß ist die elektrische Energie?

Lösung:

Um die elektrische Energie zu ermitteln verwenden wir die oben genannte Formel, dazu setzen wie die gebenen Werte ein:

\(E=U\cdot I\cdot t\)

\(E=250V\cdot 1A\cdot 10=2500Ws\)

Durch den Stromkreis ist eine elektrische Energie von \(2500Ws\) geflossen.

Bemerkung

Die Formel der elektrischen Energie kann auch wie folgt geschrieben werden:

\(E=U\cdot Q\)


Formen der elektrischen Energie

Elektrische Energie entsteht durch die Umwandlung aus anderen Energieformen, beispielsweise aus chemischer Energie oder thermischer Energie. Über Stromleitungen wird die Energie anschließend zu den Verbrauchern transportiert, dort wird die elektrische Energie wieder in andere Energieformen umgewandelt z.B in Licht-, Wärme-, Kinetische-, Potentielleenergie.

Feldenergie

Die elektrische Energie kann im elektrischen und magnetischen Feld gespeichert werden. In einem Kondensator wird die elektrische Energie in dem elektrischen Feld gespeichert während in einer Spule die elektrische Energie im magnetischen Feld gespeichert wird.

Da Energie und Arbeit physikalisch das gleiche sind, sind die Formelzeichen \(E\) für Energie und \(W\) für Arbeit austaschbar. Wir verwenden im folgenden das Formelzeichen \(E\) für die elektrische Energie, nicht zu verwechseln mit dem elektrischen Feld.

Elektrische Energie in einem Kondensator

Die energie, die im elektrischen Feld eines Kondensators gespeichert ist, beträgt:

\(E=\frac{1}{2}\cdot C\cdot U^2\)

Dabei ist:

  • \(C\) die Kapazität des Kondensators

  • \(U\) die am Kondensator anliegende Spannung



In einem Kondensator lassen sich viel kleinere Mengen an elektrischer Energie speichern als in einer Batterie. Kondensatoren werden daher meist nicht als energie Speicher verwendet, sie kommen anderweitig zu Einsatz.


Elektrische Energie in einer Spule

\(E=\frac{1}{2}\cdot L\cdot I^2\)

Dabei ist

  • \(L\) die Induktivität der Spule

  • \(I\) die Stärke des durch die Spule fließenden Stroms