Elektrisk strøm

Som elektrisk energi ( symboler ) henviser til energi , ved hjælp af overført elektricitet eller i elektriske lagrede felter er. Energi, der omdannes mellem elektrisk energi og andre former for energi kaldes elektrisk arbejde (symbol ). Før 1970 var udtrykket elarbejde også i brug. I energiindustrien kaldes den overførte elektriske energi også mængden af ​​elektricitet eller (sjældnere) mængden af elektricitet . ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle W}$

Watt-sekundet ( symbol Ws) eller den tilsvarende joule (J) bruges som måleenhed for elektrisk energi og arbejde . I tilfælde af kvantitativ information om energiforbrug inden for elektrisk energiteknologi er den større måleenhed kilowattime (kWh).

1 kWh = 3.600.000 J; 1 J ≈ 2.778 · 10 ⁻⁷  kWh.

Elektrisk energi kan bruges på mange måder, da den kan omdannes til andre former for energi med lave tab og let kan transporteres. Deres produktion og levering til økonomien og forbrugerne er af stor betydning i moderne samfund.

Manifestationer

I kraftværker , batterier og akkumulatorer genereres elektrisk energi gennem konvertering fra andre former for energi, f.eks. B. fra termisk energi eller kemisk energi . Dette transporteres til forbrugerne via kraftledninger, hvor det omdannes tilbage til andre typer energi (kinetisk, potentiale, lys eller varmeenergi).

Den elektriske energi er lokaliseret i det elektromagnetiske felt , som manifesterer sig makroskopisk i strøm og spænding (se nedenfor ).

Batteriets energi

Et batteri opretholder basis for deres kemiske energiindhold ved tilstrækkelig lav strøm mellem sine poler, en konstant spænding oprejst (spændingen kan falde, når strømstyrken stiger). Dette sker, indtil en bestemt ladning har strømmet gennem kredsløbet. Hvor meget ladning der kan strømme kan bestemmes ved hjælp af den nominelle kapacitet (fælles enhed: ampere-time , 1 Ah = 3600  C ). Derefter falder spændingen under dens nominelle værdi. Arbejdet udføres i henhold til definitionen af elektrisk spænding (se nedenfor ), således at f.eks. En mignoncelle med 1,5 V nominel spænding og 2,3 Ah nominel kapacitet kan give mindst 3,45 Wh ≈ 12 kJ elektrisk energi. ${\ displaystyle Q}$${\ displaystyle U}$${\ displaystyle Q \ cdot U}$

Markenergi

Elektrisk energi kan lagres både i det elektriske felt og i magnetfeltet. Dette inkluderer lagring af energi i en kondensator (elektrostatisk felt) eller i en spole (magnetfelt).

Magnetisk energi udtrykkes i et magnetfelt og udøver en kraft på bevægelige ladninger, den såkaldte Lorentz-kraft . Man taler her om elektromagnetisme . Elektromagnetiske kræfter kan være meget stærke; de bruges i elektriske motorer og generatorer . I praksis kan magnetisk energi opbevares kortvarigt i en spole; Med superledende magnetisk energilagring er længere lagringstider med høj energi mulige.

I et elektrisk oscillerende kredsløb omdannes elektrisk og magnetisk energi periodisk til hinanden.

På grund af den matematiske ligestilling mellem energi og arbejde bruges formelsymbolerne afhængigt af deres anvendelighed. I dette afsnit , selv om ligningerne om feltenergi også ofte er noteret i litteraturen , som det bruges i det følgende afsnit for at undgå forveksling med det elektriske felt. ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle W}$

Kondensatorens energi

Den energi, der lagres i kondensatorens elektriske felt er

${\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} \ cdot C \ cdot U ^ {2}}$,

hvor er den kapacitansen af kondensatoren og den tilførte elektriske spænding. ${\ displaystyle C}$${\ displaystyle U}$

Kondensatorer lagrer betydeligt mindre mængder energi end batterier. For større mængder energi, der skal lagres, hvor brug af et batteri eller akkumulator ikke er en mulighed, anvendes dobbeltlagskondensatorer .

En spoles energi

Den energi, der er lagret i magnetens felt i en spole er

${\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} \ cdot L \ cdot I ^ {2}}$,

hvor er den induktans spolen og styrken af strømmen , der strømmer gennem den. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle I}$

Elektrisk arbejde

Det elektriske arbejde involveret i at flytte en ladning mellem to punkter, mellem hvilke spændingen eksisterer, er ifølge definitionen af ​​elektrisk spænding ${\ displaystyle Q}$${\ displaystyle U}$

${\ displaystyle W = U \ cdot Q}$.

Når ladningen bevæger sig mod de elektriske feltkræfter, øges den elektriske energi på bekostning af andre former for energi (positivt elektrisk arbejde), mens når ladningen bevæger sig i retning af de elektriske feltkræfter, falder den elektriske energi til fordel for andre former for energi (negativt elektrisk arbejde). I beregninger opnås disse tegn kun, hvis de fysiske tegnkonventioner overholdes; elektriske spændinger skal vurderes som positive, hvis det elektriske potentiale stiger i den betragtede retning .

Arbejd i kredsløbet

Hvis spænding og strøm er konstant over et tidsrum ( dvs. lige store mængder ), kan opladningen erstattes af strøm- og tidsproduktet. Arbejdet i denne periode er: ${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle \ Delta W}$

${\ displaystyle \ Delta W = U \ cdot I \ cdot \ Delta t}$.

Produktet af spænding og strømstyrke er den elektriske effekt , dette angiver arbejdet pr. Periode og er også konstant under de specificerede forhold: ${\ displaystyle P}$

${\ displaystyle \ Delta W = P \ cdot \ Delta t}$.

For det elektriske energibehov hos en elektrisk forbruger , der drives med netspænding , er dette normalt markeret med sin nominelle effekt , ofte på et typeskilt. Brugeren definerer tidsperioden gennem varigheden, hvor forbrugeren er tændt. (I tilfælde af enheder med standbytilstand , hvor kun dele kan slukkes og andre dele kører hele dagen, er standbyeffekten temmelig skjult.) I tilfælde af en forbruger, der betjenes forskelligt med skiftende mængder, spændingsfald og aktiv det aktuelle forbrug skal være kendt.

I det mere generelle tilfælde af variabel spænding og strøm er den øjeblikkelige værdi af effekten (på grund af og ) ${\ displaystyle u}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle p}$${\ displaystyle p = \ mathrm {d} W / \ mathrm {d} t}$${\ displaystyle i = \ mathrm {d} Q / \ mathrm {d} t}$

${\ displaystyle p = u \ cdot i}$,

det elektriske arbejde er resultatet af dette gennem integration med hensyn til tid:

${\ displaystyle W_ {12} = \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} u \ cdot i \ cdot \ mathrm {d} t}$.

Arbejd i det elektriske felt

Arbejdet involveret i forskydning af en ladning i et elektrisk felt fra punkt A til punkt B beregnes som i mekanik som det skalære produkt af kraft og sti , i det mere generelle tilfælde af ikke-konstant kraft som integration af kraften i henhold til til stien: ${\ displaystyle {\ vec {F}}}$${\ displaystyle {\ vec {s}}}$

${\ displaystyle W_ {ab} = \ int _ {a} ^ {b} {\ vec {F}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {s}}}$.

Kraften resulterer som modkraft til den elektriske feltkraft på ladningen, der beregnes som produktet af elektrisk feltstyrke og ladning: ${\ displaystyle {\ vec {E}}}$

${\ displaystyle {\ vec {F}} = - ({\ vec {E}} \ cdot Q)}$.

Det elektriske arbejde kan således generelt udtrykkes som:

${\ displaystyle W_ {ab} = - Q \ int _ {a} ^ {b} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {s}}}$.

Arbejd, når du ændrer afstanden mellem to opladninger

Kraften på en ladning, der er i en afstand fra en ladning, er i henhold til Coulombs lov${\ displaystyle q}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle Q}$

${\ displaystyle F _ {\ text {C}} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ cdot {\ frac {Q \ cdot q} {r ^ {2}}} }$.

Skiftet fra , så afstanden skifter fra til , svarer til et elektrisk arbejde, der kan beregnes ved at integrere modstyrken i henhold til stien: ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle r_ {1}}$${\ displaystyle r_ {2}}$

${\ displaystyle W_ {12} = \ int _ {r_ {1}} ^ {r_ {2}} F \ cdot \ mathrm {d} r = - {\ frac {Q \ cdot q} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ cdot \ int _ {r_ {1}} ^ {r_ {2}} {\ frac {\ mathrm {d} r} {r ^ {2}}} = {\ frac {Q \ cdot q} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ cdot \ left ({\ frac {1} {r_ {2}}} - {\ frac {1} {r_ {1}}} \ højre) }$.

Fra denne formel er det let at udlede det elektriske potentiale i det radialt symmetriske elektriske felt omkring ladningen . Til dette formål overvejes testladningen, og den uendelige afstand vælges som referencepunkt : ${\ displaystyle Q}$${\ displaystyle q}$

${\ displaystyle \ varphi = \ lim _ {r_ {1} \ to \ infty} {\ frac {W_ {12}} {q}}}$ ;

${\ displaystyle q}$og udelades efter omdøbning fra til resultater ${\ displaystyle r_ {1}}$${\ displaystyle r_ {2}}$${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle \ varphi = {\ frac {Q} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} \ cdot r}}}$.

litteratur

• Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Teoretisk elektroteknik - En introduktion . 19. udgave. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-37939-0 .