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Elektrische Energie einfach erklärt

Klassenstufe:

Was ist elektrische Energie?

Die elektrische Energie ist die Energie, die in einem elektrischen oder magnetischen Feld gespeichert ist und die an elektrischen Ladungen Arbeit verrichten kann. Sie lässt zum Beispiel die Lampen in unseren Häusern leuchten und die Blitze am Himmel während eines Gewitters entstehen.

Alle Definitionen und Formeln zur elektrischen Energie findest du hier. Wenn du schon einmal nach einer Generalprobe für den nächsten Test in Physik suchst, dann sind unsere Klassenarbeiten mit Musterlösungen zur elektrischen Energie genau das Richtige für dich.

Wie wurde die elektrische Energie entdeckt?

Schon den Griechen in der Antike war bekannt, dass Bernstein durch Reiben dazu gebracht werden kann, sehr leichte Gegenstände anzuziehen, z. B. Stofffasern. Heute kennen wir den Grund dafür: Das Reiben hat eine (negative) elektrostatische Aufladung des Bernsteins zur Folge. Dies war eine der ersten Erfahrungen der Menschen mit der Elektrostatik – und damit auch mit der elektrischen Energie.

Was die Ursache der rätselhaften Eigenschaft des Bernsteins war, verstanden die Menschen allerdings erst viel später: Erst im 18. Jahrhundert entdeckte Franklin die elektrische Ladung und entwickelte den ersten Blitzableiter, während Coulomb sein Gesetz zur elektrischen Kraft aufstellte. Im gleichen Jahrhundert entwarf Volta seine voltasche Säule, wobei er von den Versuchen zu galvanischen Zellen von Galvani profitierte. Die voltasche Säule, die Grundlage aller heutigen Batterien, war ein wichtiger Meilenstein für die Forschung, weil mit ihr eine elektrische Quelle über einen längeren Zeitraum zur Verfügung stand. Im 19. Jahrhundert wurde der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus entdeckt, zu dem unter anderen Ampère beitrug. Darauf aufbauend entdeckte Faraday die elektromagnetische Induktion und damit die Grundprinzipien des Generators sowie des Elektromotors. Besonders der Generator als elektrische Energiequelle ebnete den Weg zum endgültigen Durchbruch der Elektrotechnik in unserem Alltag.

Unser heutiges Verständnis von Energie in der Physik als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, entstand ebenfalls erst im 18. und 19. Jahrhundert. Als Erster kam Mayer im 19. Jahrhundert auf die wichtige Idee der Energieumwandlung. So wurde verstanden, dass beispielsweise eine Turbine mechanische Energie in elektrische Energie umwandelte. Damit kam auch die Idee der Energieerhaltung auf, die Helmholtz einige Jahre später ausformulierte.

Welche Formeln gibt es für elektrische Energie?

Allgemein kannst du die elektrische Energie einer Probeladung \(Q\) als ihre potentielle Energie verstehen, die aufgrund ihrer Ladung in einem elektrischen Feld zur Verfügung steht. Wenn zwischen zwei Punkten des elektrischen Feldes die Spannung \(U\) anliegt, dann kannst du die elektrische Energie so berechnen:

\(E_{\text{el}} = Q \cdot U\)

Wenn sich die Probeladung in Richtung der elektrischen Kraft bewegt, dann verrichtet das elektrische Feld an der Probeladung elektrische Arbeit und seine potenzielle Energie nimmt ab. Wird die Probeladung gegen die elektrische Kraft (also in Feldrichtung) bewegt, dann nimmt ihre elektrische Energie im Feld zu.

Die elektrischen Energie hat – wie jede Form der Energie – die Einheit Joule. Im technischen Bereich wird außerdem oft die Einheit Wattsekunde verwendet. Für Rechnungen kannst du dabei diese Zusammenhänge zwischen den Einheiten Joule (J), Volt (V), Ampere (A), Sekunde (s), Coulomb (C) und Watt (W) verwenden:

\(1\, \text{J} = 1\, \text{VAs} = 1 \, \text{CV} = 1 \, \text{Ws} \)

Elektrische Energie in einem Plattenkondensator

In dem elektrischen Feld eines Plattenkondensators mit der Kapazität \(C\) und der Spannung \(U\) zwischen den Platten ist folgende elektrische Energie gespeichert:

\(E_{\text{el}} = \frac{1}{2}\cdot C \cdot U^2\)

Magnetische Energie in einer Spule

In einer Spule mit der Induktivität \(L\), durch die ein Strom mit der Stärke \(I\) fließt, ist folgende magnetische Energie gespeichert:

\(E_{\text{mag}} = \frac{1}{2} \cdot L\cdot I^2\)

Da das magnetische Feld der Spule dafür sorgt, dass auf bewegte elektrische Ladungen die Lorentzkraft ausgeübt wird, kannst du die magnetische Energie der Spule auch als elektrische (oder elektromagnetische) Energie auffassen.

Wozu braucht man elektrische Energie?

Für unser Leben hat die elektrische Energie eine enorme Bedeutung, denn die Elektrizität bestimmt unsere Wohn- und Arbeitswelt und unseren Informationsfluss. Alle unseren digitalen Geräte, wie Smartphones, Tablets und Laptops, werden mit elektrischer Energie betrieben. Sie betreibt viele unsere Maschinen und beleuchtet auch unsere Häuser und Straßen.

Auch in der Medizin und in allen Naturwissenschaften kommt eine Vielzahl von elektrischen Geräte – vom Herzschrittmacher bis zur Elektronenkanone – zum Einsatz. Unsere Forschung und unsere medizinischen Möglichkeiten wären ohne die Elektrizität also sehr eingeschränkt.

Sie hilft uns auch, an Nachrichten und Informationen aus aller Welt zu kommen. Ohne elektrische Energie könntest du zum Beispiel diese Internetseite nicht besuchen. Du siehst also, dass unser Leben ganz schön anders aussehen würde, wenn wir nicht dahintergekommen wären, wie wir die elektrische Energie nutzen können.