(ET1-17) Elektrisches und mechanisches Potential – Vergleich

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext erklären wir dir ausführlich worin sich das elektrische Potential und das mechanische Potential unterscheiden. Dabei erlernst du auch die Gemeinsamkeiten.

Für ein optimales Verständnis helfen dir in diesem Kursabschnitt drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET1-Grundlagen der Elektrotechnik  

 

Mechanisches Potential – Ausflug in die Technische Mechanik

In der Mechanik, das weiß der Ingenieur und Techniker, untersucht man mechanische Potentiale, die elektrischen Potentialen sehr ähnlich sind.

Hierzu stellen wir uns einfach einen Fußball vor, der eine Masse m hat und ohne, dass jemand oder etwas ihn bewegt am Eckpunkt eines Spielfeldes liegt.

Dieses Spielfeld, also die Erdoberfläche mit ihrer Erdanziehungskraft ist hier unser Bezugsniveau.

 

Fall 1: Keine Bewegung

→ Keine Bewegung bedeutet für unseren Fußball, dass er aktuell die potentielle, mechanische Energie mit dem Wert W_{pot} = 0 besitzt – Also einfach gesagt: Keine Energie!

Potentiale - Mechanische Energie eines Fußballs
Potentiale – Mechanische Energie eines Fußballs
Mechanisches Potential – Mechanische Energie eines Fußballs

 

Fall 2: Höhenenergie

Nun geht der Torwart zum Ball und hebt ihn gekonnt mit einem Hackentritt auf und hält ihn fest zwischen beiden Händen.

Potentiale - Mechanische Arbeit am Fußball
Potentiale – Mechanische Arbeit am Fußball
Mechanisches Potential – Mechanische Arbeit am Fußball

 

Mit diesem Trick hat der Torwart mechanische Arbeit W_{mech} am Ball verrichtet.

 

Potentiale – Mechanische Arbeit – Formel

Diese Arbeit befindet sich in der Masse als potentielle Energie gespeichert wieder:

 

\text{Mechanische Arbeit = Potentielle Energie}  \rightarrow  W_{mech} = W_{pot}

 

Käme der Torwart nun aus irgendeinem Grund auf die Idee mit dem Ball auf die Leiter zu klettern, die der Platzwart am Spielfeldrand abgestellt hat, so würde die potentielle Energie W_{pot} wegen der größeren Höhe des Balles im Ball zunehmen.

Nach mehreren Zurufen der Mitspieler, die sich einfach nur noch wundern, lässt der Torwart den Ball endlich los.

 

Merk’s dir!

Mit dem Loslassen entfernt er die Kraft, die der Erdanziehungskraft entgegenwirkt. Während des Falls hin zur Erdoberfläche gibt der Ball seine potentielle Energie gleichbleibend (kontinuierlich) ab. Beim Aufprall auf dem Boden hat der Ball seine komplette potentielle Energie wieder abgegeben.

Unser Ausgangswert ist wieder W_{pot}= 0.

 

Vergleich – mechanisches und elektrisches Potential

Übertragen wir nun diese Vorgänge auf die Elektrotechnik, so haben wir eine Ladung Q, die sich auf unserer Erdoberfläche befindet und die ihre elektrische Gegenladung - Q elektrisch neutralisiert wird.

 

Merk’s dir!

Das elektrische Potential der Erde ist das konstante Bezugspotential \varphi_0 = 0.

 

Das elektrische Potential hat die Besonderheit, dass seine Ladungen keine potentielle Energie besitzen. Die von uns untersuchte Ladung besitzt eine potentielle elektrische Energie von W_{pot} = 0

Trennen wir nun die Ladung Q und die Gegenladung -Q mit Hilfe einer äußeren Kraft wie im Fall des Fußballes und der Erdoberfläche voneinander.

Diese äußere Kraft kann mechanische Arbeit W_{mech} sein, die dem System zugeführt wird und in der Ladung als potentielle elektrische Energie W_{pot} = W_{mech} gespeichert wird.

 

Elektrisches Potential – Gesetz

Auch für das elektrische Potential gilt:


Je größer der Abstand zum Bezugsniveau umso höher ist auch die potentielle elektrische Energie.

Entfernen wir erneut die Kraft, die den Abstand hält, so bewegt sich die Ladung wieder zurück zum Bezugsniveau und die elektrische Energie wird wieder vollständig abgegeben.

Vergleich von elektrischem und mechanischem Potential
Vergleich von elektrischem und mechanischem Potential
Vergleich elektrisches und mechanisches Potential

 

 

Fazit – Vergleich elektrisches und mechanisches Potential

Im Grundsatz laufen mechanische und elektrische Vorgängen nach dem gleichen Prinzip an.

Nur die Tatsache, dass in der Elektrotechnik Ladung auch negative Werte annehmen kann, macht den Unterschied.

 

Was kommt als Nächstes?

Nachdem du das elektrische Potential kennengelernt hat, erklären wir dir im nächsten Kurstext, wie eine positive und negative Ladungsträgerbewegung aussieht.

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