Arbeit, Energie, elektrisches Potential, elektrische Spannung

Inhalt Begriffe: Arbeit, Energie Der Energie-Erhaltungssatz Energie Austausch zwischen Systemen Elektrisches Potential, elektrische Spannung Energie im konservativen Feld (Elektrisches Feld und Gravitationsfeld) Energie im Wirbelfeld

Arbeit und Energie Die Energie eines Systems ist ein Maß für die an ihm zu- bzw. abgeführten Arbeit Äquivalente Begriffe des „täglichen Lebens“: Energie verhält sich zu Arbeit wie Kontostand zu Kontobewegungen Beachte: Stabile Währung Kontostand immer > 0

Arbeit ist Austausch von Energie Dem System wird Energie zugeführt: Vorzeichen: Plus Vom System wird Energie abgeführt: Vorzeichen: Minus Joule Joule -1 1 -1 1 „System 1“ „System 2“

Der Energieerhaltungssatz Die Gesamtenergie bleibt konstant, Energie kann aber ausgetauscht und umgewandelt werden Systeme, in denen dieser Satz gilt, nennt man „abgeschlossen“

„Arbeit ist Kraft mal Weg“ „Wichtigste Formel der Physik“ „Arbeit ist Kraft mal Weg“ SI-Einheit: 1 Nm=1 J (1 Joule)

Definition der mechanischen Arbeit SI Einheit Anmerkung 1 Nm=1 J „1 Joule“ Konstante Kraft in einem Intervall Δs 1 N Kraftvektor 1 m Vektor eines Weg-Intervalls

Arbeit im elektrischen Feld

Arbeit auf „geschlossenen Wegen“ Das System bestehe aus zwei Komponenten: Zwei große geladene Platten („Kondensator“) und ein kleiner geladener Körper Eine Masse im Gravitationsfeld

Arbeit im elektrischen Feld auf einem „geschlossenen Weg“ Joule -1 1 Am Kondensator verrichtete Arbeit:

Arbeit mit Kraft als Funktion des Orts SI Einheit Anmerkung 1 Nm=1 J „1 Joule“ Die Kraft sei Funktion des Orts s 1 N Kraftvektor, Funktion des Orts s

Versuch Beschleunigung einer geladenen Kugel zwischen zwei Platten und Austritt in den „feldfreien“ Raum

„Konservative“ Felder Ein Feld, in dem auf geschlossenen Wegen die Summe der Arbeiten Null ist, wird als „konservatives Feld“ bezeichnet In konservativen Feldern ist die Arbeit zwischen zwei Punkten vom Weg unabhängig Formale Schreibweise

Potential, Spannung In konservativen Feldern kann man jedem Punkt ein „Potential“ zuordnen: Quotient aus der Arbeit, die aufzubringen ist, um mit einem geeigneten Probekörper den Punkt zu erreichen, und der Ladung des Probekörpers Eine Potentialdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Orten in einem elektrischen Feld nennt man „elektrische Spannung“

Potentiale im elektrischen Feld Platte auf „Erdpotential“

Elektrisches Potential eines Punktes Einheit Anmerkung 1 J/C=1 V „ 1 Volt“ Das Potential ist ein Quotient, Zähler: Arbeit, um eine Ladung von einem vereinbarten Ort an diesen Punkt zu verschieben, Nenner: Betrag der Ladung

Die elektrische Spannung 1 0,5 1 J/C=1 V „1 Volt“ Die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten ist ein Quotient, Zähler: Arbeit, um eine Ladung von einem zum anderen Punkt zu verschieben, Nenner: Betrag der Ladung Dem System zugeführte Arbeit an einer positiven Ladung, um sie von einem Punkt zum andern zu verschieben

Die elektrische Spannung ist eine Potentialdifferenz 1 J/C=1 V „1 Volt“ Die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten ist die Differenz der Potentiale dieser Punkte

Potentiale im elektrischen Feld 1 0,5 U Ladung q Arbeit W Ladung q Spannung U=W/q [V] Die elektrische Feldstärke bringt einige Punkte im Raum auf unterschiedliches Potential: Zwischen ihnen erscheint eine Spannung

Potentiale im elektrischen Feld U Ladung q 1 0,5 Arbeit W Ladung q Spannung U=W/q [V] Die elektrische Feldstärke bringt einige Punkte im Raum auf unterschiedliches Potential: Zwischen ihnen erscheint eine Spannung

Bewegung einer Ladung in einem nicht konservativen elektrischen Feld Elektrische Feldstärke Geschlossener Weg

„Perpetuum Mobile“ im Wirbelfeld? Ein elektrisches Wirbelfeld entsteht nur um ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld Die Energie wird von außen zum Feldaufbau zugeführt

Das Wirbelfeld entsteht um ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld Magnetische Feldstärke Elektrische Feldstärke

Zusammenfassung Arbeit ist Kraft mal Weg Arbeit ist Austausch von Energie zwischen zwei Systemen In abgeschlossen Systemen gilt der Energie-Erhaltungssatz Bezüglich der Arbeit auf geschlossenen Wegen unterscheidet man: Konservative Felder: Auf geschlossenen Wegen addieren sich geleistete und gewonnene Arbeiten zu Null Wirbelfeder: Auf diesen Wegen wird bei jedem Umlauf Energie gewonnen oder zugeführt In konservativen Feldern ist die Arbeit zwischen zwei Punkten im Raum vom Weg unabhängig: Jedem Punkt kann sein „Potential“ zugeordnet werden Elektrische Spannung zwischen zwei Punkten: Differenz zwischen den Potentialen dieser Punkte

Potentiale im elektrischen Feld Finis Platte auf „Erdpotential“