Elektrische und magnetische Felder

Wie wird in elektrischen und magnetischen Feldern Energie gespeichert?

Strom ist die Bewegung elektrischer Ladungsträger und lässt sich nicht direkt speichern. Da sich erzeugter und verbrauchter Strom in einem Stromnetz jedoch im Gleichgewicht befinden müssen, ist es notwendig, die Energie von überschüssigem Strom zwischenzuspeichern, zum Beispiel als chemische Energie in einem Akku. Aber wäre es nicht auch möglich, elektrische Energie direkt zu speichern?

 

Wie wird Energie gespeichert?

Eines der großen Probleme in der Energietechnik ist, dass elektrischer Strom nicht gespeichert werden kann. Denn Strom ist keine Energieform, sondern die Bewegung elektrischer Ladungsträger, die Energie transportieren. Um Strom zu nutzen, muss also ständig Energie aufgewendet und Ladungsträger müssen in Bewegung versetzt werden.

Die Menge des erzeugten und verbrauchten Stroms muss sich dabei immer im Gleichgewicht befinden. Wird zu viel oder zu wenig Strom ins Stromnetz eingespeist, steigt oder fällt dessen Frequenz. Alle an das Stromnetz angeschlossenen Geräte, sowohl Stromerzeuger als auch elektrische Verbraucher, sind jedoch auf eine bestimmte Frequenz angewiesen und nehmen Schaden, wenn die aktuelle Netzfrequenz von der Normfrequenz abweicht. Deshalb werden mit überschüssigem Strom Energiespeicher, etwa Akkus, geladen. Bei Bedarf kann die Energie diesen wieder entnommen werden. In begrenztem Maße ist es außerdem möglich, elektrische Energie auch direkt in elektrischen und magnetischen Feldern zu speichern.

 

Elektrische und magnetische Felder

Ein elektrisches Feld entsteht immer dann, wenn sich eine elektrische Ladung im Raum bewegt. Zu solch einer bewegten Ladung gehört auch der Fluss von Elektronen in der Stromleitung. Wenn Du Dir vorstellst, dass die Fließrichtung des Stroms der X-Achse in einem Koordinatensystem entspricht, dann bildet sich das elektrische Feld immer im rechten Winkel dazu, also entlang der Y-Achse, aus. Auf der Z-Achse, also im rechten Winkel sowohl zum Stromfluss als auch zum elektrischen Feld, liegt das magnetische Feld. Neben bewegten elektrischen Ladungen erzeugt auch das magnetische Moment geladener Elementarteilchen ein Magnetfeld. Daher stammt beispielsweise der Magnetismus eines Dauermagneten.

Um Energie in einem elektrischen Feld zu speichern, wird ein Kondensator verwendet. Dieser besteht aus zwei Elektroden aus leitendem Material, die durch ein isolierendes Dielektrikum getrennt sind. Liegt eine Gleichspannung an, lädt sich eine Elektrode negativ und die andere positiv auf. Zwischen den Elektroden entsteht somit eine Spannung, ein Stromfluss wird aber durch das Dielektrikum verhindert. Die Energie, die beim Abbau der Spannung frei würde, ist im Kondensator gespeichert. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, gibt der Kondensator die Energie an diesen ab.

Zur Speicherung von Energie in einem magnetischen Feld benötigst Du hingegen eine Spule. In dieser bildet sich ein Magnetfeld aus, wenn eine Wechselspannung anliegt und ein Wechselstrom fließt. Umgekehrt induziert ein veränderliches Magnetfeld eine Spannung in der Spule, die wiederum als elektrischer Strom abgegriffen werden kann. Die elektrische Energie des Wechselstroms wird zum Aufbau des magnetischen Feldes eingesetzt und bei dessen Abbau wieder frei.

 

Kondensatoren und Spulen als Energiespeicher

In einem Kondensator kann das elektrische Feld solange aufrechterhalten werden, wie die beiden Elektroden ihre Ladung behalten und zwischen ihnen eine elektrische Spannung besteht, die sich nicht durch einen Stromfluss ausgleichen kann. In der elektrischen Spule muss hingegen ein Wechselstrom fließen, um das magnetische Feld aufrechtzuerhalten. Endet der Stromfluss, baut sich das Magnetfeld innerhalb von Sekundenbruchteilen ab und setzt die gespeicherte Energie frei.

In der Elektrotechnik stammt die Bedeutung von Kondensatoren und Spulen daher, dass sich mit ihnen der Stromfluss zu anderen Bauteilen einer Schaltung gezielt steuern lässt. Spulen sind zudem bei der Erzeugung von Strom von entscheidender Bedeutung: Im Kraftwerk wird mithilfe eines von der Turbine gedrehten Dauermagneten in elektrischen Spulen eine Spannung induziert, die schließlich als Strom abgegriffen wird. Auch in Transformatoren kommen Spulen zum Einsatz: Durch verschiedene Windungszahlen induziert das von der ersten Spule erzeugte Magnetfeld in der zweiten einen höhere oder niedrigere Spannung. So werden Hochspannung für den Transport und Niederspannung für die gefahrlose Verwendung von Strom erzeugt.

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