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Elektrisches Potential – die unsichtbare Kraft der Leistung!

Das Potenzial, aus dem Lateinischen potentia für Kraft oder Leistung, bedeutet in der Physik, eine Arbeit zu verrichten. Als physikalische Grösse der klassischen Elektrodynamik, die sich sowohl mit der zeitlichen Veränderung von elektrischen und magnetischen Feldern als auch mit der Bewegung von elektrischen Ladungen innerhalb dieser Felder beschäftigt, ist ihr grundlegendes Merkmal die elektromagnetische Wechselwirkung. Der Elektromagnetismus gehört zu den vier Grundkräften der Physik und ist für die meisten alltäglichen Phänomene, wie natürliches Licht und Elektrizität, verantwortlich. Zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Teilchen wird durch Arbeit, das Verschieben eines Teilchens, eine Potenzialdifferenz aufgebaut. Dies ist die elektrische Spannung U in Volt.

Was bedeutet der Begriff Potenzial?

Der Begriff Potenzial wird in vielen naturwissenschaftlichen Fachbereichen unterschiedlich definiert. Allgemein bedeutet Potenzial jedoch, Arbeit zu verrichten. In der Physik werden deswegen das elektrische Potential vom Gravitationspotential unterschieden und in der Chemie das chemische vom elektrochemischen Potential. In der Mathematik gibt es ausserdem das Vektorpotential und Skalarpotential.

Wie entsteht das elektrische Potential im Feld?

Der Begriff Potential stammt aus der Mechanik und beschreibt eine skalare Ortsfunktion im Gravitationsfeld. Befindet sich eine Probemasse an einem definierten Ort, so lässt sich durch Differenziation die Kraft F bestimmen, die an diesem Ort auf die Masse wirkt.

Das elektrische Potential, als eine physikalische Grösse der Elektrodynamik, beschreibt den Quotienten der potenziellen Energie einer Punktladung und dessen Ladung in einem Punkt des elektrischen Feldes, dem Potentialfeld. Angenommen, in einem elektrischen Feld soll eine positive Ladung Q von einer negativen Ladung q entfernt werden, so muss dazu Arbeit verrichtet werden. Wird die Ladung unendlich weit entfernt, ist die Coulombkraft zwischen beiden Ladungen Null. Die dafür notwendige Arbeit ist das elektrische Potential des Punktes a, einer Ortskoordinate im elektrischen Feld. Jedem Punkt im Vektorfeld kann somit ein skalares Potential zugeordnet werden.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem elektrischen Potential und der elektrischen Spannung?

Wird zwei Punkten a und b in einem Vektorfeld ein Potential zugeordnet, ergibt sich daraus eine Potentialdifferenz zwischen den Punkten. Diese Potentialdifferenz ist die elektrische Spannung U, die somit der Arbeit entspricht, die aufgewendet werden muss, um die Ladung q von a nach b zu verschieben. Die Ladungsverschiebung bedeutet einen Energiezuwachs. Diese ist die potentielle Energie der Ladung q im Punkt b gegenüber Punkt a. Wird der Abstand von zwei ungleichen Ladungen vergrössert, erhöht sich die potentielle Energie der Ladung, da die Coulombkraft anziehend wirkt. Im umgekehrten Fall, bei zwei gleichen sich abstossenden Ladungen, wird die potentielle Energie verringert.

Warum wird das Potential in der Physik auch potentielle Energie genannt?

Das elektrische Potential wird auch potentielle Energie genannt, da es die Lage der Ladung im Kraftfeld, also dem elektrischen Feld beschreibt. Es ist somit eine Zustandsgrösse des derzeitigen Zustandes eines physikalischen Systems. Wird eine Ladung oder ein Körper im Feld oder Raum verschoben, ändert sich dessen kinetische Energie. Laut dem Energieerhaltungssatz bleibt die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System erhalten. Dementsprechend kann eine Energieform nur in eine andere Energieform umgewandelt werden. Es werden voneinander unterschieden:

  • kinetische Energie
  • potentielle Energie
  • elektrische Energie
  • thermische Energie
  • chemische Energie

Wird eine Probeladung q im elektrischen Feld verschoben, so führt die Veränderung der potentiellen Energie gleichermassen zur Zu- oder Abnahme der kinetischen Energie oder elektrischen Feldenergie.

Was ist eine Potentialfunktion?

Die mathematische Herleitung des Begriffes Potential darf nicht mit der physikalischen Zustandsbeschreibung, also dem Verhältnis eines Körpers und seiner potentiellen Energie zur Ladung und Masse, verwechselt werden. Hier können Funktionswerte (Volt, Ampere), aber auch Wechselwirkungen mit dem elektrischen Feld gemeint sein. In der Mathematik spricht man deswegen nicht von einem Vektorfeld, sondern von einem skalaren Feld, also von Skalarpotentialen, deren mathematische Grundlage die Potentialfunktion in einem elektrischen oder magnetischen Feld ist. Grafisch werden Potentialfunktionen in einem Koordinatensystem durch Stromlinien und Potentiallinien wiedergegeben.

Wie wird das elektrische Potential gemessen?

Das elektrische Potential, also die Potentialdifferenz und Spannung U an einem beliebigen Punkt im elektrischen Stromkreis, wird mithilfe eines Voltmeters gemessen. Das Potential einer beliebigen Stelle wird neutral, also auf null Volt festgelegt. Dies ist in den meisten Fällen der Minuspol oder die Masse (Erde). Der andere Pol des Voltmeters wird mit einer beliebigen Stelle im Stromkreis verbunden und das Voltmeter zeigt den Spannungsunterschied an.

Was ist ein elektrischer Schwingkreis?

Werden in einem Stromkreis eine Spule sowie ein Kondensator in Reihe hintereinander angeordnet und eine Wechselspannung angelegt, entsteht ein elektrischer Schwingkreis. Dieser elektromagnetische Schwingkreis wandelt stetig elektrische Feldenergie des Kondensators in magnetische Feldenergie der Spule um und umgekehrt.

Ist der Kondensator nach dem Anlegen der Spannung aufgeladen und wird die Spannungsquelle entfernt, ist die Feldstärke gleich null und es wird keine Kraft auf die Teilchen oder Ladungsträger ausgeübt. Demzufolge entlädt sich der Kondensator und das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten baut sich ab. Im Schwingkreis ist hingegen noch Stromstärke vorhanden, die an der Spule ein Magnetfeld erzeugt. Kommt der Stromkreis zum Erliegen, bricht das Spulenfeld zusammen. Da ein zeitlich veränderliches Magnetfeld laut Induktionsgesetzt Induktionsgesetz eine Spannung erzeugt, wird wiederum elektrischer Strom im Schwingkreis erzeugt. Das Aufladen des Kondensators beginnt von neuem. Dieser periodische Vorgang wird als harmonische Oszillation oder harmonische Schwingungen bezeichnet.