Energie

Der Zustand eines Körpers wird unter anderem durch seine Masse, seine Dichte, seine Lage im Raum und seine Energie beschrieben. Die Energie eines Körpers beschreibt den Teil seines Zustands, der einfach änderbar ist und der deshalb technisch interessant ist, weil die unterschiedlichen Formen von Energie ineinander umwandelbar sind. Wenn z. B. eine Maschine etwas bewegen soll, muss sie eine beliebige Form von Energie in kinetische Bewegungsenergie umwandeln. Energie wird nicht erzeugt oder vernichtet, sie wird immer nur von einer Form in eine andere umgewandelt.

Immer wenn wir mit elektrischem Strom etwas bewirken wollen, wird elektrische Energie in eine andere Form umgewandelt. Wenn Sie z. B. mit einem E-Auto fahren, wird elektrische Energie aus der Batterie gezogen und im Motor in kinetische Bewegungsenergie umgewandelt.

Angenommen die Batterie des E-Autos ist zu Beginn der Fahrt vollgeladen. Jetzt setzen Sie sich ans Steuer und geben Gas. Das Auto beschleunigt und es nimmt eine Geschwindigkeit von z. B. v = 100km/h an. Ihr Auto hat ein Gewicht von m = 2000kg. Es weist eine kinetische Energie von

auf. Diese Energie muss irgendwo hergekommen sein. Sie war in der Batterie gespeichert. Nachdem Sie diese Geschwindigkeit erreicht haben, ist die Batterie also etwas weniger stark aufgeladen. In der Batterie ist weniger Energie gespeichert als zu beginn der Fahrt. Üblicherweise ist es so, dass eine Energieform kleiner und eine andere größer wird. Die elektrische Energie in der Batterie sinkt, wenn die kinetische Energie steigt.

Um technisch etwas zu beleuchten, zu bewegen, zu erwärmen, zu kühlen, etwas anzuzeigen oder etwas zu verformen wird immer eine Eingangsenergie in eine andere Energieform umgewandelt. In der Elektrotechnik ist eine der beteiligten Energieformen immer die elektrische Energie.

Beispiele

– Motor: Umwandlung elektrischer Energie in Bewegungsenergie

– Herdplatte: Umwandlung elektrischer Energie in Wärme (thermische Energie)

– Generator: Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie

– Taschenlampe: Umwandlung elektrischer Energie in Licht

Eine Energieänderung wird durch Leistung „transportiert“. Eine Energieänderung tritt immer in Form von Leistung auf.

Betrachten wir dafür eine Analogie: Zwei Energieformen können Sie sich wie zwei Sandhaufen vorstellen. Die Menge an Sand auf den beiden Haufen gibt an, wie viel Energie in der jeweiligen Form vorliegt. Wenn Sie mit einer Schaufel Sand von Haufen zu Haufen bewegen, dann entspricht die Menge an Sand pro Zeit der Leistung. Wenn Sie schnell arbeiten und viel Sand pro Zeit bewegen, dann liegt eine hohe Leistung vor. Die Energie ändert sich schnell.

Die Leistung hat das Formelzeichen P und die Einheit W („Watt). Mathematisch drücken wir da so aus:

Die Energieänderung über der Zeit entspricht der zeitlichen Ableitung der Energie dW / dt. Wenn Sie mit konstanter Leistung Sand schaufeln können wir den Term vereinfachen zu W / t. Die Leistung P entspricht also auch der Formel nach der Menge an Sand (Energie), die Sie innerhalb eines Zeitintervalls (t) herumschaufeln.

Wenn Sie beim Elektroauto viel Gas geben, wird pro Zeit viel elektrische Energie aus der Batterie in kinetische Energie umgewandelt. Anschaulich betrachtet wird das Auto in kurzer Zeit schneller. Dann ist die Leistung hoch. Bei Autos wird die maximale Leistung gerne als Kaufargument angegeben. Bei einem leistungsstarken Auto können Sie schnell (in wenig Zeit) viel elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandeln.

Wenn Sie schwach aufs Gas drücken beschleunigt das Auto langsamer, es ist also weniger Leistung vorhanden, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umsetzt. Hier nochmal die Zusammenfassung zu Energie und Leistung:

Beachten Sie, dass das Formelzeichen der Energie „W wie Energie oder englisch WORK“ den gleichen Buchstaben nutzt wie die Einheit der Leistung „W wie Watt“. Das ist etwas unglücklich, daran gewöhnen Sie sich aber mit der Zeit.

Um elektrische Energie technisch nutzen zu können, müssen wir diese verstehen und berechnen können. Elektrische Energie berechnet sich aus der elektrischen Ladung. Deshalb betrachten wir im nächsten Kapitel die elektrische Ladung. Sie ist die elementare Größe der Elektrotechnik.

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