Ladung und Energie
Die elektrische Ladung (auch Elektrizitätsmenge genannt) ist eine grundlegende physikalische Größe. Sie beschreibt eine Eigenschaft von Teilchen und Körpern und ist die Ursache für elektrische und elektromagnetische Wechselwirkungen. Sicher hast du schon auf Akkus oder Batterien eine Angabe wie z.B. $3000 mA\hour$ für die elektrische Ladung gelesen.
Elektrische Ladung allein beschreibt jedoch noch keine Energie. Erst in Verbindung mit einer elektrischen Spannung wird deutlich, wie viel Energie mit einer bestimmten Ladungsmenge übertragen oder gespeichert werden kann. Genau dieser Zusammenhang wird zum Beispiel bei Batterien und Akkumulatoren genutzt: Sie speichern elektrische Energie, indem sie elektrische Ladung auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen trennen.
Welche Einheit wird üblicherweise für die elektrische Ladung verwendet?
Die dabei gespeicherte oder übertragene elektrische Energie $W$ ergibt sich aus der transportierten Ladung $Q$ und der anliegenden Spannung $U$:
$W = U \cdot Q$
Allgemein ist die Leistung als Energie pro Zeit definiert. Entsprechend ergibt sich die Energie als Produkt aus Leistung und Zeit:
$W = P \cdot t$
$1 \joule = 1 Ws = 1 VAs = 1 \newtonm = 1 kgram\cdotm\squared/s\squared$
Welche Einheit wird üblicherweise für die Energie verwendet?
In der Praxis werden für kleine Energiemengen meist Joule verwendet, während für größere Energiemengen – etwa bei Akkus, Netzteilen oder im Stromverbrauch – häufig Wattstunden ($W\hour$) oder Kilowattstunden ($kW\hour$) angegeben werden. Greifen wir das Beispiel unseres $3000 mA\hour$-Akkus wieder auf. Hat dieser eine Spannung von $3,6 V$ so ergibt sich ein Energiegehalt von $3000 mA\hour \cdot 3,6 V = 10.8 W\hour$
Energie kann nicht nur gespeichert, sondern auch von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Ein typisches Beispiel ist die Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie an einem Widerstand, an dem über einen bestimmten Zeitraum eine Spannung anliegt. Die folgenden beiden Prüfungsfragen betrachten genau dieses Szenario.
Wie viel Energie wird vom Widerstand innerhalb einer Stunde in Wärme umgewandelt?
Hier nochmal eine andere Formulierung der Frage: Wie viel Energie wird an einem Widerstand (Widerstand $R=100 Ω$), an dem eine Spannung von $U=10 V$ angelegt ist, innerhalb einer Stunde in Wärme umgewandelt?
$W = P \cdot t = \frac{U^2}{R} \cdot t = 1 W \cdot 1 \hour= 1 W\hour$