Elektrische Energie
Die elektrische Energie oder elektrische Arbeit ist eine Form der Energie oder physikalischen Arbeit (Physik), die mittels der Elektrizität geleistet werden kann. Elektrische Energie ist in Elektrische Ladung sowie Elektrisches Feld|elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert und kann Wandler|gewandelt werden.
In der Physik wird für die elektrische Energie das Formelzeichen E und die Einheit Wattsekunde (Einheitenzeichen: Ws) verwendet. Dabei ist 1 Ws = 1 J (Joule). Bei der Messung des Energieverbrauchs im Bereich der elektrischen Energietechnik ist die Angabe kWh ([Kilowattstunde) üblich. 1 kWh = 3.600.000 Ws, 1 Ws ≈ 2,778·10−7 kWh.
Begriff
Spannung, Strom und Zeit miteinander multipliziert ergibt die elektrische Energie:
Dabei steht das Symbol
Elektrische Energie kann wie jede andere Energie nicht vernichtet oder erzeugt werden, sondern wird grundsätzlich in eine andere Energie#Beispiele für Energieumwandlungen|Erscheinigungsform Wandler|gewandelt. Mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes kann die elektrische Energie bestimmt werden, indem man die zu ihrer Erzeugung notwendige mechanische Energie berechnet.
Elektrische Energie
Elektrische Energie ist im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen (z. B. in Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren) gespeichert. In größeren Mengen lässt sie sich in einem Doppelschicht-Kondensator speichern. In Kraftwerken und Batterien wird sie z. B. aus Wärmeenergie bzw. chemischer Energie Wandler, über Stromleitungen zu den Verbrauchern transportiert und bei den Verbrauchern in andere Energieformen gewandelt (Kraft, Licht, Wärme).
Magnetische Energie
Magnetismus|Magnetische Energie äußert sich in einem magnetischen Feld und übt eine Kraft auf bewegte Ladungen aus, die so genannte Lorentzkraft. Man unterscheidet Elektromagnetismus|elektromagnetische und Elektrodynamik|elektrodynamische Kraft|Kräfte. Aufgrund ihrer Stärke werden sie gerne in Elektromotoren und Generatoren verwendet. Gespeichert werden kann magnetische Energie im Alltag nicht sehr dauerhaft in einer Spule (Elektrotechnik)|Spule oder Drossel (Elektrotechnik)|Drossel. Mit Supraleiter|supraleitenden Drähten hingegen kann eine hohe Energie dauerhaft gespeichert werden.
In einem elektrischer Schwingkreis|elektrischen Schwingkreis wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie.
Elektrische Energie in einem elektrischen Feld
Wird eine (Probe-)Ladung in einem elektrischen Feld bewegt, so wird elektrische Arbeit verrichtet. Dabei gibt es zwei vom Vorzeichen zu unterscheidende Bewegungsrichtungen:
Ist die Bewegungsrichtung entgegen der Kraftrichtung des Elektrostatik|elektrischen Feldes, wird (von außen) Arbeit verrichtet. Die potenzielle Energie der Ladung steigt. Dieser Vorgang entspricht immer einer Ladungstrennung.
Ist die Bewegungsrichtung in Richtung der Kraftrichtung des Feldes, verrichtet das elektrische Feld Arbeit an der Ladung. Ein frei beweglicher Ladungsträger wird daher beschleunigt. Es findet eine Umwandlung von Potentielle_Energie in kinetische Energie statt. Eine Spannungsquelle verrichtet an einem elektrischen Verbraucher (Widerstand, elektrischer Motor) mechanische Arbeit und produziert dabei immer Wärme (dissipierte Arbeit). Dabei werden die Ladungsträger entlang des elektrischen Feldes im Leiter bis zur mittleren Driftgeschwindigkeit beschleunigt (siehe dazu Beweglichkeit (Physik)).
Die Arbeit wird, wie andere physikalische Arbeit auch, in Wattsekunden (Ws) oder Joule (J) angegeben. Die Angabe in Newtonmetern (Nm) wäre theoretisch möglich, ist aber in der Praxis nicht anzutreffen.
Zur Verschiebung einer Probeladung in einem elektrischen Feld von Punkt nach erhält (verrichtet) man elektrische Arbeit.
Motiviert von der mechanischen Definition der Arbeit
= Arbeit in J oder Ws | |
= Kraft in Newton (Einheit) | |
m | |
C | |
= Feld in V/m | |
= Spannung in V |
erhält man mit der resultierenden Kraft auf eine Ladung Q im elektrischen Feld :
die elektrische Arbeit
- ,
wobei die aufintegrierten Wegstückchen sind. In einem räumlich konstanten Feld wird aus dem Integral einfach
- .
In einem konservatives Feld|konservativen elektrischen Feld wird das Wegintegral wegunabhängig und es lässt sich die Spannung (elektrisches Potential) gemäß
einführen. Damit erhält man die vereinfachte Formel
elektrische Energie in einem Stromkreis
Bei Anwendung der Formel auf den Ladungstransport in einem Stromkreis muss man berücksichtigen, dass der Strom Ladungstransport je Zeiteinheit bedeutet. Daraus folgt dann die messtechnisch leicht bestimmbare elektrische Energie in einem Stromkreis
= Arbeit in J oder Ws | |
= Spannung in Volt|V | |
= Strom in Ampere|A | |
s |
In Worten: Arbeit = Spannung · Strom · Zeit
Hausgebrauch
Für den Hausgebrauch benötigt man das Verständnis der elektrischen Arbeit, wenn man elektrischer Verbraucher wie beispielsweise einen Kühlschrank oder elektrische Lampen kauft. Hier ist es wichtig zu wissen, dass die Zeit, die das Gerät in Betrieb ist, die wesentliche Größe zur Bestimmung der vom elektrischen Gerät benötigten Energie ist. Der Strombedarf ist konstruktionsbedingt vom Hersteller festgelegt und entscheidet sich deshalb beim Kauf. Die Netzspannung beträgt in der Regel 230 Volt bzw. 400 Volt, es sei denn, man greift auf Batterien oder ein Netzteil mit weniger Spannung zurück.
siehe auch:
- elektromagnetische Feldenergie
- Elektrischer Strom
- Stromstärke I
- Elektrische Spannung U
- Elektrische Leistung P
- Entziehung elektrischer Energie - § 248c StGB Stromdiebstahl
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