Elektrische Energie

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Du willst wissen was die elektrische Energie ist und wie sie definiert ist? Dann bist du hier genau richtig. Um dir einen Überblick zu verschaffen, kannst du dir das untere Video anschauen.

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. Mit elektrischem Strom kann man elektrische Energie von einem Ort zum anderen transportieren. Doch was ist die elektrische Energie und wie kann sie umgewandelt und genutzt werden?

Bevor wir uns der elektrischen Energie widmen, könnte es nützlich sein die folgenden Themen zu wiederholen:

• Elektrische Ladung

• Strom, Spannung & Widerstand

• Ohmsches Gesetz

Aus der Mechanik kennt man bereits die potentielle Energie eines Körpers. Die potentielle Energie ist von der Masse des Körpers und dessen Höhe abhängig. Je höher ein Körper angehoben wird, desto größer ist seine potentielle Energie. Lässt man einen Körper aus einer höhe \(h\) fallen, so wandelt sich die potentielle Energie in kinetische Energie um. So ähnlich ist es auch mit der elektrischen Energie. Dabei kann die elektrische Energie als die potentielle Energie eines geladenen Teilchens betrachtet werden. Sobald ein geladener Körper in ein elektrisches Potential (Spannung) gebracht wird, erhöht sich desses elektrische Energie. Diese kann anschließend ebenfalls in kinetische Energie umgewandelt werden.

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).

Die elektrische Energie ist das Produkt aus der Ladung \(q\) und dem elektrischen Potential \(U\).

Mit der oberen Formel kann man die elektrische Energie berechnen, die ein geladener Körper mit der Ladung \(q\) besitzt, wenn er sich in einem elektrischen Potential \(U\) befindet.

Um die elektrische Energie berechnen zu können, welche vom Strom \(I\) transportiert wird, muss man die Ladung \(q\) aus der Formel für die elektrische Energie mittels Stromstärke \(I\) ausdrücken. Dazu muss man wissen, dass der Strom aus der Bewegung von Ladungsträgern besteht. Die Stromstärke \(I\) ist die Ladung \(q\) welche in einer bestimmten Zeit \(t\) fließt. Es gilt:

Diese Formel kann man nun nach \(q\) umstellen:

Nun kann man die Ladung \(q\) mit \(I\cdot t\) ersetzen:

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

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?

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

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

Bringt man nach einander geladene Körper oder Teilchen in einem Raum, so besitzt diese Ansammlung von Ladungsträgern elektrische Energie. Bringst du beispielsweise nach einander positve Ladungen in einem Kästchen, wie in der unteren Abbildung gezeigt...

... so muss man dafür Arbeit verrichten. Dies liegt daran, dass sich die geladenen Teilchen abstoßen. Mit jedem weiteren Teilchen, dass in das Kästchen gebracht wird, muss man etwas mehr arbeit verrichten. Die verrichtete Arbeit steckt als elektrische Energie in den Ladungsträgern. Diese elektrische Energie kann wieder in kinetische Energie umgewandelt werden, sobald der Kasten entfernt wird.

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

Die elektrische Energie kann in elektrischen und magnetischen Feldern 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.

In einem Kondensator wird elektrische Energie gespeichert. Ein Kondensator ist lediglich eine Bauteil, mit dem eine bestimmte Ladungsverteilung erzeugt werden kann.

Die elektrische Energie eines Kondensators ist von seiner Kapazität und der anliegenden Spannung abhängig.

In einer Spule kann ebenfalls elektrische Energie in Form eines Magnetfeldes gespeichert sein. Diese ist von der Induktivität \(L\) und der Stromstärke \(I\) abhängig.