Grundlagen der elektrischen Energie und Potentiale
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Bewegung einer Ladung im elektrischen Feld
1) Wenn sich eine Ladung am Punkt B befindet, besitzt sie ein elektrisches Potential VB und eine elektrische potentielle Energie UB, berechnet als UB = q · VB.
2) Die Feldlinien zeigen die Region im Raum, in der ein elektrisches Feld existiert. Wenn sich die Ladung Q von A nach B bewegt, nimmt sie je nach Fall unterschiedliche Werte für die potentielle Energie an. Da eine Kraft F (wie in der Abbildung gezeigt) auf die Ladung wirkt und diese einen Weg d zurücklegt, wird Arbeit verrichtet. Es gilt: W = F · d.
3) Wir nehmen an, dass sich die Ladung von Punkt A nach Punkt B entlang eines beliebigen Weges bewegt (siehe gestrichelte Linie in der Abbildung). Das elektrische Feld übt dabei an jedem Punkt der Flugbahn eine Kraft F auf die Ladung aus, wodurch Arbeit an der Ladung verrichtet wird.
4) Die Ladung erfährt eine Änderung ihrer elektrischen potentiellen Energie.
Elektrisches Potential
Einführung: Ein Körper auf der Erde besitzt aufgrund des Gravitationsfeldes potentielle Energie; eine elektrische Ladung in einem elektrischen Feld verfügt über elektrische potentielle Energie. Diese potentielle Energie leitet sich aus der Tatsache ab, dass die Kraft des Feldes Arbeit verrichten kann, um eine Ladung zu bewegen.
Das elektrische Potential ist definiert als das Verhältnis der elektrischen potentiellen Energie zur positiven Einheitsladung an einem bestimmten Punkt. Um den Begriff des elektrischen Potentials (V) zu verstehen, sollte folgende Reihenfolge beachtet werden:
- 1) Ein elektrisches Feld in einer Region des Raumes unter Berücksichtigung der Arbeit, die durch das Feld verrichtet wird.
- 2) Die Ladung q besitzt in einer natürlichen Weise elektrische potentielle Energie (U).
Elektrische Potentialdifferenz
Wichtiger als das Potential an einem einzelnen Punkt ist oft der Unterschied in der Spannung zwischen zwei Punkten. Hierbei geht es darum, die Arbeit zu bestimmen, die erforderlich ist, um eine elektrische Ladung von einem Punkt zum anderen zu bewegen. Die Potentialdifferenz ist allgemein als Spannung oder Spannungsabfall bekannt und wird als ΔV symbolisiert.