Energie im elektrischen Feld
Auf eine Ladung im elektrischen Feld wirkt eine Kraft. Bewegt sie sich, überträgt das Feld Energie auf sie — wie die Gewichtskraft auf einen fallenden Körper.
- Formelzeichen:Die Energie heißt hier \(W\) statt \(E\), weil \(E\) schon für die elektrische Feldstärke steht.
- Kraft:\(F=q\cdot E\) (1.1.5); im homogenen Feld zwischen zwei Platten auf dem ganzen Weg konstant.
- Energie:bei konstanter Kraft längs des Weges \(d\) gilt „Kraft mal Weg“: \(W=F\cdot d=q\cdot E\cdot d\).
- Richtung:mit der Feldkraft gewinnt die Ladung Energie, gegen die Feldkraft muss Energie zugeführt werden.
- Problem:\(W\) ist proportional zu \(q\) — doppelte Ladung, doppelte Energie, obwohl das Feld gleich bleibt.
- Ausweg:der Quotient \(\dfrac{W}{q}\) ist für jede Ladung gleich; er beschreibt nur das Feld zwischen den beiden Punkten.
Die zentrale Formel W = q · U
Der Quotient \(\dfrac{W}{q}\) aus Phase 1 bekommt einen eigenen Namen: elektrische Spannung \(U\).
- Elektrische Spannung
- Quotient aus der Energie \(W\), die beim Verschieben einer Ladung zwischen zwei Punkten umgesetzt wird, und dieser Ladung \(q\). Formelzeichen \(U\), Einheit Volt: \([U]=\mathrm{V}\).
Herleitung:
Energie im Feld: \(W=q\cdot U\)
- Bedeutung:12 V heißt: Jedes Coulomb setzt zwischen den beiden Punkten 12 J um.
- Nur zwei Größen:in \(W=q\cdot U\) stehen nur Ladung und Spannung — keine Masse, kein Weg.
- Wegunabhängig:zwischen zwei festen Punkten liegt immer dieselbe Spannung, egal auf welcher Bahn die Ladung läuft.
- Proportional:doppelte Ladung oder doppelte Spannung → doppelte Energie.
Der Zähler unten misst die Energie, die das Feld an der Ladung umsetzt, wenn sie einen der drei Wege durchläuft.
Ladung q = 2,0 µC. Quer zu den Feldlinien bleibt der Zähler stehen — dieser Wegabschnitt bringt keine Energie.
Das Elektronenvolt — die Energieeinheit der Teilchen
Für einzelne Teilchen ist das Joule unhandlich groß. Deshalb gibt es eine eigene Energieeinheit.
- Elektronenvolt:1 eV ist die Energie, die ein Teilchen mit der Ladung \(e\) beim Durchlaufen von 1 V aufnimmt.
- Ablesen:bei einfach geladenen Teilchen gilt: Energie in eV = Spannung in V.
- Mehrfach geladen:mit \(q=n\cdot e\) ist die Energie \(n\)-mal so groß.
- Vielfache:keV, MeV, GeV (Tabelle unten).
Umrechnung
Beide Teilchen durchlaufen dieselbe Spannung. Oben liegt zum Vergleich immer ein einfach geladenes Teilchen, unten eines mit der eingestellten Ladungszahl n.
Beispiel: Ein zweifach geladenes Ion nimmt bei 1000 V bereits 2000 eV auf.
Von Volt zu Joule und zurück
Welche Energie nimmt ein Elektron auf, das die Spannung U = 600 V durchläuft?
| Einheit | in Joule | wo sie auftritt |
|---|---|---|
| \(1\,\mathrm{eV}\) | \(1{,}6\cdot10^{-19}\,\mathrm J\) | Bindung eines Elektrons in einem Molekül |
| \(1\,\mathrm{keV}=10^{3}\,\mathrm{eV}\) | \(1{,}6\cdot10^{-16}\,\mathrm J\) | Elektronen in einer Röntgenröhre |
| \(1\,\mathrm{MeV}=10^{6}\,\mathrm{eV}\) | \(1{,}6\cdot10^{-13}\,\mathrm J\) | Teilchen aus radioaktiven Zerfällen |
| \(1\,\mathrm{GeV}=10^{9}\,\mathrm{eV}\) | \(1{,}6\cdot10^{-10}\,\mathrm J\) | Protonen in großen Beschleunigern |
Allgemeine Hinweise
Elektronen laufen zur Plusplatte
Negative Ladungen werden gegen die Feldlinien beschleunigt. Für die Energie rechnest du mit dem Betrag: \(W=|q|\cdot U\).
eV gleich Volt nur bei einfacher Ladung
Ein einfach geladenes Teilchen nimmt bei 600 V genau 600 eV auf. In \(W=q\cdot U\) steht aber die volle Ladung \(q=n\cdot e\): ein zweifach geladenes Ion holt bei 1000 V schon 2000 eV.
Einheitenprobe Coulomb mal Volt
\(1\,\mathrm{C}\cdot 1\,\mathrm{V}=1\,\mathrm{J}\) — so prüfst du, ob dein Ergebnis wirklich eine Energie ist. Von eV nach Joule geht es mit \(1{,}6\cdot 10^{-19}\).
