Elektrische Energie

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit elektrische Energie. Du erfährst, was elektrische Energie ist und lernst wichtige Formeln dazu kennen.

Du möchtest die Kernideen hinter der elektrischen Energie in kurzer Zeit erlernen? Prima! Dann schaue dir unser Video  zu diesem Thema an.

Elektrische Energie einfach erklärt

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Ob du nun dein Smartphone auflädst oder im Internet surfst, elektrische Energie ist ein wesentlicher Bestandteil deines täglichen Lebens. Die Bezeichnung besteht aus zwei Komponenten, „elektrisch“ und „Energie“. Der Begriff „Energie“ kann verschiedene Bedeutungen besitzen. In diesem Artikel kannst du dir darunter potentielle Energie vorstellen. Mit „elektrisch“ wird dir der Hinweis gegeben, dass hier die potentielle Energie eines elektrisch geladenen Teilchens gemeint ist.

Ähnlich wie sich deine potentielle Energie erhöht, wenn du einen Berg hinaufsteigst, so steigt auch die elektrische Energie eines positiven Teilchens, wenn es ein elektrisches Feld „hinaufsteigt“. Ein elektrisches Feld hinterlässt an jedem Punkt im Raum ein elektrisches Potential (analog zu einer Berglandschaft, die an jedem Punkt eine unterschiedliche Höhe besitzt). Mit „elektrischem Feld hinaufsteigen“ ist dann gemeint, dass sich das positive Teilchen von einem Punkt mit geringem elektrischen Potential zu einem Punkt mit höherem elektrischen Potential bewegt.

Elektrische Energie Formel

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Ähnlich wie zur potentielle Energie im Gravitationsfeld, gibt es eine Formel für die elektrische Energie einer Ladung mit Ladungsmenge , die sich an einem Ort mit dem elektrischen Potential befindet.

Was aber, wenn Strom fließt? Du ersetzt dann in der Formel für die Ladung durch , also die Stromstärke mal der Zeit . Du erhältst dann die Formel

.

Auch ein Kondensator kann elektrische Energie speichern. Die Formel zum Berechnen der gespeicherten Energie lautet

,

wobei die Kapazität des Kondensators ist.

Elektrische Energie Einheit

Da die elektrische Energie eine Energieform ist, besitzt sie die Einheit Joule.

Um dir ein Gefühl dafür zu geben, wie viel 1 an elektrischer Energie ist, hier ein kleines Beispiel: Um eine 1 Watt LED-Lampe eine Sekunde lang am Leuchten zu halten, brauchst du eine elektrische Energie von 1 . Schauen wir uns kurz die Einheiten für dieses Beispiel an. Das Watt ist die Einheit der Leistung . Die Leistung ist definiert als Arbeit pro Zeit, also

.

Damit hat die Leistung auch die Einheit Joule pro Sekunde

[] = .

Die Multiplikation der Leistung mit der Zeit ergibt daher die Einheit der Energie

[] [] = = .

Was ist die elektrische Energie?

In diesem Abschnitt schauen wir uns die elektrische Energie genauer an.

Elektrische Energie einer Ladungsverteilung

Stell dir einen leeren Raum vor, indem du nacheinander elektrische Ladung bringst. Am Ende hast du eine Ansammlung von Ladungsträgern. Die Arbeit, die du dazu aufbringen musstest, steckt nun in gewisser Weise in dieser Ansammlung. Welche Energie das jetzt genau ist, spielt hier keine Rolle. Viel wichtiger ist die Tatsache, dass diese Ansammlung an jedem Punkt im Raum ein elektrisches Potential hinterlässt. Was bewirkt dieses elektrische Potential? Möchtest du nun eine weitere Ladung mit der Ladungsmenge an den Ort führen, so musst du eine Arbeit von

 

aufbringen. Nehmen wir zusätzlich an, dass das elektrische Potential am Ort des Behälters gleich Null ist, dann steckt in dieser elektrischen Ladung die von dir aufgebrachte Arbeit in Form potentieller Energie. Und genau diese potentielle Energie heißt elektrische Energie. 

Analogie zur Gravitation

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Lass uns etwas tiefer auf die Analogie zur Gravitation eingehen. Um die potentielle Energie zu berechnen, wenn du dich auf einer Höhe über den Boden befindest, verwendest du die Formel

.

Hier steht für die Masse und für die Schwerebeschleunigung. Um die Analogie zur elektrischen Energie ersichtlicher zu machen, fassen wir das Produkt zur Bezeichnung zusammen, das heißt

.

Damit lautet die potentielle Energie 

.

Werfen wir einen kurzen Blick auf die Einheit von . Die Einheit der potentielle Energie ist Joule und die Einheit der Masse ist Kilogramm. Damit gilt

[] = .

Die Formel für die elektrische Energie erhältst du, wenn du nun das mit der elektrischen Ladung und das mit dem elektrischen Potential ersetzt

.

Schauen wir uns auch hier die Einheit von an. Elektrische Energie besitzt die Einheit Joule und die Einheit Coulomb. Somit ist

[] = .

Erkennst du nun die Analogie zwischen dem „elektrischen Fall“ und der Gravitation? Wenn nicht, dann hilft dir vielleicht folgende Tabelle

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Eine Besonderheit gibt es aber bei der Elektrizität, die keine Analogie zur Gravitation besitzt: Die „Massenladung“ kann nur positiv sein, die elektrische Ladung kann aber positiv oder negativ sein. Ein Smartphone wird immer in Richtung Boden beschleunigt, da dort das Gravitationspotential niedriger ist als auf einer Höhe . Ähnlich verhalten sich positive elektrische Ladungen: Sie werden aus einem Ort mit hohem elektrischen Potential in Richtung eines Ortes mit geringerem elektrischen Potential beschleunigt.

Batterien

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Stell dir einen einfachen Schaltkreis vor: Eine Batterie, die mit einer Glühlampe verbunden ist. Sobald der Schaltkreis geschlossen wird, wird die elektrische Energie, die in den negativen Ladungen am Minuspol steckt, in kinetische Energie umgewandelt – die negativen Ladungen werden beschleunigt. Bei ihrer Wanderung durch die Glühlampe stoßen sie auf die Atome des Glühdrahts. Dabei geben die negativen Ladungen einen Teil ihrer kinetischen Energie an die Atome des Glühdrahts ab. Diese werden dann in Schwingung versetzt, weswegen sich der Glühdraht erwärmt. Diese Erwärmung führt dazu, dass Licht emittiert wird. Und genau dieses Licht registriert dein Auge als das Leuchten der Glühlampe.

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