Elektrisches Potential

Hier klicken zum AusklappenExkurs in den Bereich der Mechanik:

Die Mechanik beschäftigt sich zwar nicht direkt mit elektrischen Potentialen, aber sie behandelt mechanische Potentiale. Letztere sollen helfen die Wirkweise eines elektrischen Potentials besser zu verstehen:

Stelle dir eine Kugel mit einer Masse $ m $ vor, die ohne äußere Einwirkung auf der Erdoberfläche liegt. Wir nehmen dabei an, dass die Oberfläche [inkl. Erdanziehungskraft] als Bezugsniveau dient. Dies bedeutet für die Kugel, dass sie im aktuellen Zustand die potentielle mechanische Energie $ W_{pot} = 0 $ besitzt. Gehe nun zur Kugel und hebe diese mit deiner Hand hoch. Jetzt hast du mechanische Arbeit $ W_{mech}$ verrichtet. Diese Arbeit ist nun in der Masse der Kugel als potentielle Energie gespeichert $ W_{mech} = W_{pot} $. Würdest du nun die Kugel noch weiter emporheben, so würde auch die potentielle Energie $ W_{pot} $ weiter steigen. Lässt du jetzt die Kugel fallen, so entfernst du die Kraft, die der Erdanziehungskraft entgegenwirkt. Während die Kugel wieder Richtung Erde fällt, gibt sie ihre potentielle Energie kontinuierlich ab bis sie beim Aufprall erneut den Ausgangswert $ W_{pot} = 0 $ annimmt.

Wendet man diesen Fall auf eine elektrische Anordnung an, so hat man eine elektrische Ladung $ Q $, die sich auch auf der Erdoberfläche befindet und durch ihre elektrische Gegenladung $ -Q $ elektrisch neutralisiert wird. Das elektrische Potential der Erde stellt hierbei das konstante Bezugspotential $\varphi_0 = 0 $ dar. Es hat die Eigenschaft, dass ihre Ladungen keine potentielle elektrische Energie besitzen. In unserem Fall hat die betrachtete Ladung die potentielle elektrische Energie $ W_{pot} = 0 $.

Trennen wir jetzt wie im Fall der Kugel die Ladungen voneinander, indem wir durch eine äußere Kraft die Ladung $ Q $ entgegen der Anziehungskraft der Erde [sowie der Gegenladung $ - Q $] anheben, so führen wir, wie im anderen Beispiel, dem System eine mechanische Arbeit $ W_{mech} $ zu. Gespeichert wird diese Arbeit in der Ladung als potentielle elektrische Energie $ W_{pot} = W_{mech} $. Auch hier gilt: Je größer die Entfernung zum Bezugsniveau, umso höher auch die potentielle elektrische Energie.

Entfernen wir nun die Kraft, die die Distanz aufrechterhalten hat, so bewegt sie sich zurück zur Erde und gibt ihre elektrische Energie wieder vollständig ab.