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Rechnen: elektrische Energie

Der Stromzähler im Sicherungskasten zählt genau das mit, was E = U · I · t beschreibt — samt Umrechnung in Kilowattstunden auf der Rechnung.

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Einstieg — Die Energie, die durch das Kabel kommt

Drei Faktoren, keine Wurzel — dafür eine völlig neue Einheit.

Elektrische Energie kannst du nicht sehen — bezahlt wird sie trotzdem.

  • Elektrische Energie:Sie wird von Ladungen transportiert, die durch einen Leiter fließen.
  • Stromzähler:Er sitzt im Sicherungskasten und zählt mit, wie viel Energie ins Haus fließt.
  • Einmal im Jahr:Nach seinem Stand bekommt deine Familie die Stromrechnung.
  • Drei Größen:Spannung U, Stromstärke I und Zeit t — eine mehr als bei allen bisherigen Formeln.
  • Kein Quadrat:Es gibt auch keinen Faktor ½; alle drei Größen gehen einfach ein.
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Erklärung — E = U · I · t — und was eine Kilowattstunde wirklich ist

Drei Größen, zwei Rechenschritte und eine Einheit, die auf jeder Stromrechnung steht.

Die drei Größen

Stell dir den Strom wie Wasser in einer Leitung vor.

  • Stromstärke I:Sie sagt, wie viele Ladungen pro Sekunde vorbeifließen, gemessen in Ampere (A).
  • Spannung U:Sie sagt, wie viel Energie jede einzelne Ladung mitbringt, gemessen in Volt (V).
  • Zeit t:Sie sagt, wie lange das Ganze läuft, gemessen in Sekunden (s).
  • Zusammen:Alle drei Größen multipliziert ergeben die übertragene Energie.
Elektrische Energie aus Spannung, Stromstärke und Zeit
Eel = U · I · t
Eel

Elektrische Energie in Joule (J).

U

Spannung in Volt (V).

I

Stromstärke in Ampere (A).

t

Zeit in Sekunden (s).

Ein nützliches Zwischenergebnis: U · I

Rechnest du nur die ersten beiden Faktoren aus, erhältst du die Leistung P.

  • Bedeutung:Die Leistung ist die Energie, die pro Sekunde übertragen wird.
  • Einheit:Sie heißt Watt, denn 1 V · 1 A = 1 W.
  • Typenschild:Genau diese Zahl steht auf jedem Gerät.
  • Für dich:P ist vor allem ein bequemer Zwischenschritt beim Rechnen.
In zwei Schritten rechnen
P = U · I     E = P · t
P

Leistung in Watt (W), also Spannung mal Stromstärke.

t

Zeit in Sekunden (s); damit wird aus der Leistung die Energie.

Die Einheitenprobe

Die Einheiten ergeben tatsächlich Joule
V · A · s = W · s = J

Eine Wattsekunde ist dasselbe wie ein Joule. Die Energieeinheit bleibt also die alte.

Die Kilowattstunde — Joule für den Alltag

Ein Haushalt verbraucht im Jahr rund 10 000 000 000 Joule — mit solchen Zahlen will niemand hantieren.

  • Kilowattstunde:Deshalb benutzt die Stromrechnung die größere Einheit kWh.
  • Bedeutung:Eine kWh ist die Energie, die ein 1000-Watt-Gerät in einer Stunde umsetzt.
  • Auf der Rechnung:Der Preis wird immer pro Kilowattstunde angegeben.
Eine Kilowattstunde sind 3,6 Millionen Joule
1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ

Von Joule zu Kilowattstunden teilst du durch 3 600 000, umgekehrt multiplizierst du damit.

Ein Rechentrick spart Arbeit: Steht die Leistung in Kilowatt und die Zeit in Stunden, ergibt das Produkt direkt Kilowattstunden.

Musterrechnung in drei Stufen

Erst vollständig vorgerechnet, dann mit Lücken, dann allein.

Stufe 1 · vollständig vorgerechnet

Aufgabe: Eine alte Glühlampe zieht bei 230 V eine Stromstärke von 0,26 A. Wie viel Energie setzt sie in 10 Minuten um?

1Gegeben und gesucht: U = 230 V, I = 0,26 A, t = 10 min; gesucht: Eel
2Einheiten prüfen: Minuten müssen in Sekunden.t = 10 min · 60 = 600 s
3Leistung zuerst:P = U · I = 230 V · 0,26 A = 59,8 W
4Energie:E = P · t = 59,8 W · 600 s = 35 880 J ≈ 35,9 kJ
5Antwort: Die Lampe setzt in 10 Minuten rund 35,9 kJ um. In Kilowattstunden sind das 35 880 : 3 600 000 ≈ 0,01 kWh — also etwa ein Drittel Cent.
Stufe 2 · zwei Schritte fehlen

Aufgabe: Ein Laptop-Netzteil liefert 20 V bei 3 A. Wie viel Energie fließt in 2 Stunden — in Joule und in Kilowattstunden?

1Gegeben: U = 20 V, I = 3 A, t = 2 h; gesucht: Eel
2Umrechnen: t = 2 h = ? s
3Einsetzen:E = 20 V · 3 A · ? s = ? J
4Kontrolle: Es müssen 432 000 J herauskommen, also 0,12 kWh. Steht bei dir 120 J, hast du in Stunden statt in Sekunden gerechnet.
Stufe 3 · jetzt du allein

Aufgabe: Eine Waschmaschine zieht bei 230 V eine Stromstärke von 4,3 A und läuft 1,5 Stunden. Berechne die umgesetzte Energie in Joule und in Kilowattstunden.

!Rechne zuerst die Leistung aus. 1,5 h sind nicht 150 min.
Lösung anzeigen

P = 230 V · 4,3 A = 989 W und t = 1,5 h = 5400 s

E = 989 W · 5400 s = 5 340 600 J ≈ 5,34 MJ

E = 5 340 600 J : 3 600 000 ≈ 1,48 kWh

Ein Waschgang kostet also rund 1,48 kWh — bei 35 Cent pro Kilowattstunde etwa 52 Cent.

Aus dem Unterricht

Die Formel an der Tafel — und die Sache mit den Wattstunden

Drei Größen, eine Formel — und eine Umrechnung, die auf jedem Akku steht.

Dieselbe Formel, wie sie an der Tafel stand
Eel = U · I · t
Eel

Energie in Joule (J).

U

Spannung in Volt (V).

I

Stromstärke in Ampere (A).

t

Zeit in Sekunden (s).

Wattstunden in Joule — und zurück

1 Wh = 3600 J(eine Stunde hat 3600 s)
10 Wh = 36.000 J

Die Aufgabe dazu: Ein Handy-Akku hat 10 Wh. Das Ladegerät liefert U = 5 V bei I = 1 A. Wie lange dauert das Laden?

E = U · I · t| : (U · I)
t = E : (U · I) = 36.000 J : (5 V · 1 A)
t = 7200 s = 2 Stunden
Die Stolperstelle war jedes Mal die Zeit. In die Formel gehören Sekunden: 2 min sind 120 s — wer Minuten einsetzt, rechnet um den Faktor 60 daneben.

Unterrichtsmitschrift 1.3.4 Elektrische Energie

Interaktiv: Der Energie-Zähler

Die Formel hat drei Faktoren — da verliert man leicht das Gefühl dafür, welcher davon wirklich etwas ausmacht. Im Applet drehst du an jeder Größe einzeln und siehst sofort, wie weit der kWh-Balken wandert. Die rote Marke zeigt, wo eine ganze Kilowattstunde liegt.

Der Energie-Zähler

Der Balken zeigt, wie viele Kilowattstunden bei Spannung, Stromstärke und Laufzeit zusammenkommen.

SPANNUNG U 230 V · STROMSTÄRKE I 2 A · ZEIT t 1 h = ENERGIE E 0 J Leistung P = U · I Energie in Kilowattstunden:
Spannung, Stromstärke und Zeit stehen auf den Startwerten.

Zwei Beobachtungen lohnen sich: Ein Gerät mit winziger Stromstärke, das dafür stundenlang läuft, kann mehr Energie sammeln als ein starkes Gerät für ein paar Minuten — der Stromzähler interessiert sich nur für das Produkt. Und: Verdoppelst du die Spannung bei gleicher Stromstärke, verdoppelt sich die Energie. Kein Quadrat, keine Wurzel — hier zählt jeder Faktor genau einfach.

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Hinweise — Damit nichts schiefgeht

Drei Stellen, an denen es bei der elektrischen Energie oft hakt:

Hinweis

In die Formel gehören Sekunden: Minuten mal 60, Stunden mal 3600 — sonst liegst du um genau diesen Faktor daneben.

Hinweis

U muss in Volt und I in Ampere stehen; Milliampere teilst du vorher durch 1000.

Hinweis

Notiere P = U · I als Zwischenergebnis: in kW mal Stunden ergibt es sofort kWh, und über 3000 W liegt kaum ein Haushaltsgerät.

Videos zur elektrischen Energie