Arbeit, Energie

1. Arbeit, Energie

2. Inhalt • Begriffe: Arbeit, Energie • Potentielle Energie • Kinetische Energie • Der Energie-Erhaltungssatz • Energie Austausch zwischen Systemen • Energie im konservativen Feld (Elektrisches Feld und Gravitationsfeld) • Energie im Wirbelfeld

3. Arbeit und Energie • Die Energie eines Systems ist ein Maß für die an ihm zu- bzw. abgeführten Arbeit • Äquivalente Begriffe des „täglichen Lebens“: • Energie verhält sich zu Arbeit wie Kontostand zu Kontobewegungen • Beachte: Stabile Währung • Kontostandimmer> 0

4. Dem System wird Energie zugeführt: Vorzeichen: Plus Vom System wird Energie abgeführt: Vorzeichen: Minus -1 -1 1 1 Arbeit ist Austausch von Energie Joule Joule „System 1“ „System 2“

5. Der Energieerhaltungssatz • Die Gesamtenergie bleibt konstant, Energie kann aber ausgetauscht und umgewandelt werden • Systeme, in denen dieser Satz gilt, nennt man „abgeschlossen“

6. „Wichtigste Formel der Physik“ „Arbeit ist Kraft mal Weg“ SI-Einheit: 1 Nm=1 J (1 Joule)

7. Definition der mechanischen Arbeit

8. Arbeit mit Kraft als Funktion des Orts

9. 1 Arbeit im Gravitationsfeld Joule

10. 1 Die potentielle Energie Joule • Das angehobene Gewicht zeigt die „potentielle Energie“ Wpot • Die potentielle Energie befähigt das System, zu irgendeinem Zeitpunkt Arbeit abzugeben

11. -1 -1 1 1 Austausch potentieller Energie zwischen zwei Systemen Joule Joule „System 1“ „System 2“

12. Die kinetische Energie Zeit t, Geschwindigkeit v System 1: Träge Masse m System 2 mit potentieller Energie Wpot Die potentielle Energie Wpot dient in diesem Vorgang zur konstanten Beschleunigung der Masse m

13. Kinetische Energie bei konstanter Beschleunigung

14. Definition der kinetischen Energie Eine sich mit Geschwindigkeit v bewegende Masse trägt die kinetische Energie Wkin=mv2/2 , unabhängig von der Art der Beschleunigung

15. Vollständige Umwandlungsfolge bei diesem Vorgang Umwandlungsfolge: Potentielle Energie Kinetische Energie Kinetische + Rotations-Energie Wärme-Energie

16. Beispiel für die Umwandlung von potentieller in kinetische Energie

17. 1 Die potentielle und kinetische Energie beim Fall Joule

18. Berechnung der Fallgeschwindigkeit aus dem Energie-Erhaltungssatz

19. Arbeit im elektrischen Feld

20. Arbeit auf „geschlossenen Wegen“ Das System bestehe aus zwei Komponenten: • Kondensator mit positiver Ladung • Gewicht im Gravitationsfeld

21. Arbeit im elektrischen Feld auf einem „geschlossenen Weg“ Joule -1 1 Am Kondensator verrichtete Arbeit:

22. „Konservative“ Felder • Ein Feld, in dem auf geschlossenen Wegen die Summe der Arbeiten Null ist, wird als „konservatives Feld“ bezeichnet • In konservativen Feldern ist die Arbeit zwischen zwei Punkten vom Weg unabhängig Formale Schreibweise

23. Potential, Spannung • In konservativen Feldern kann man jedem Punkt ein „Potential“ zuordnen: Quotient aus • der Arbeit, die aufzubringen ist, um mit einem geeigneten Probekörper den Punkt zu erreichen, • und der Ladung des Probekörpers • Eine Potentialdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Orten in einem elektrischen Feld nennt man „elektrische Spannung“

24. Potentiale im elektrischen Feld Platte auf „Erdpotential“

25. Elektrisches Potentialeines Punktes

26. Die elektrische Spannung

27. Die elektrische Spannung ist eine Potentialdifferenz

28. 1 0 0,5 Potentiale im elektrischen Feld Ladung q Arbeit W Ladung q Spannung U=W/q [V] Die elektrische Feldstärke bringt einige Punkte im Raum auf unterschiedliches Potential: Zwischen ihnen erscheint eine Spannung

29. Bewegung einer Ladung in einem nicht konservativen elektrischen Feld Elektrische Feldstärke Geschlossener Weg

30. „Perpetuum Mobile“ im Wirbelfeld? • Ein elektrisches Wirbelfeld entsteht um ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld • Die Energie wird von außenzum Feldaufbau zugeführt

31. Das Wirbelfeld entsteht umein zeitlich veränderliches magnetisches Feld Magnetische Feldstärke Elektrische Feldstärke

32. Zusammenfassung • Arbeit ist Kraft mal Weg • Arbeit ist der Austausch von Energie zwischen zwei Systemen • In abgeschlossen Systemen gilt der Energie-Erhaltungssatz • Bezüglich der Arbeit auf geschlossenen Wegen unterscheidet man: • Konservative Felder: Auf geschlossenen Wegen addieren sich geleistete und gewonnene Arbeiten zu Null • Wirbelfeder: Auf diesen Wegen wird bei jedem Umlauf Energie gewonnen oder zugeführt • In konservativen Feldern ist die Arbeit zwischen zwei Punkten im Raum vom Weg unabhängig: Jedem Punkt kann sein „Potential“ zugeordnet werden

33. Potentiale im elektrischen Feld Finis Platte auf „Erdpotential“