Banner

Energie elektrischer und magnetischer Felder

In der Elektrizitätslehre werden die ortsabhängigen Vektoren E, D, H und B zur Beschreibung der Felder verwendet.

E  ist die elektrische Feldstärke mit der Einheit Volt pro Meter (V m−1).
D  ist die dielektrische Verschiebung mit der Einheit Amperesekunde pro Quadratmeter (A s m−2).
H  ist die magnetische Feldstärke mit der Einheit Ampere pro Meter (A m−1).
B  ist die magnetische Induktion mit der Einheit Tesla [T] bzw. V s m−2.

Die Energiedichte (Energie pro Volumen) wird mit dem kleinen Buchstaben w bezeichnet und hat die Einheit V A s m−3 oder J−3. Damit ergeben sich für elektrische, magnetische und elektromagnetische Feldenergie



Eine Ausbreitung von Feldenergie ist auch ohne Trägermedium im leeren Raum möglich.

Für die in einem Kondensator mit der Kapazität C (Einheit Farad [F] bzw. A V−1 s) durch Anlegen einer Spannung U gespeicherte elektrische Feldenergie gilt

Diese Feldenergie wird oft für die Fahrradbeleuchtung genutzt, wenn der Dynamo gerade mal eine Pause macht. Die im rechten Bild dargestellten Superkondensatoren (engl. supercapacitors) haben im Unterschied zu Keramik-, Folien- und Elektrolytkondensatoren ein Elektrolyt als leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Die hohe Kapazität resultiert aus zwei Effekten: erstens Speicherung reiner elektrischer Energie durch Ladungstrennung in einer Doppelschicht und zweitens elektrochemische Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen, die eine Pseudokapazit erzeugen.

Superkondensatoren können in einer Sekunde aufgeladen oder entladen werden. Fürs Fahrrad gibt es Exemplare mit U = 2,3 V, C = 60 F und einem Gewicht von 15 g.

Aus diesen Daten lässt sich mit obiger Gleichung eine Energiedichte von etwa 3 Wh/kg berechnen. Doppelt so hohe Energiedichten von Superkondensatoren sind inwischen im Angebot. Damit liegen die Dichten immer noch bei weniger als einem Zehntel im Vergleich zu aufladbaren Batterien. Jedoch die Leistungsdichte ist mehr als das Zehnfache im Vergleich zu Batterien. Superkondensatoren können sehr viel schneller geladen und entladen werden und überstehen viel mehr Schaltzyklen als Batterien. Diese Überlegenheit wird für kurzzeitige Vorgänge wie Beschleunigen und Bremsen ausgenutzt. In China fahren Straßenbahnen, die zwischen den Haltestellen ohne Oberleitung aus einem Tonnen-schweren Superkondensators gespeist werden. Der Kondensator wird an den Haltestellen innerhalb von 30 s aufgeladen und speichert auch die Bremsenergie.

Die in einer Spule mit der Selbstinduktivität L (Einheit V A−1 s  bzw. Henry [H]) durch den Fluss eines Stromes  gespeicherte magnetische Feldenergie E ist

Technische Anwendungen für eine Energiespeicherung in Magnetfeldern scheitern an den Kosten. Große mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Magnete für die Magnetresonanz-Tomographie oder -Spektroskopie verwenden Ströme von etwa 200 A. Mit einer Selbstinduktivität der Spule von 180 H erhält man die beachtlich hohe magnetische Feldenergie von etwa 1 kWh. Aber der Magnet wiegt einige hundert Kilogramm und kostet etwa eine Million Euro. Hoffnungen für eine ökonomisch vertretbare Speicherung von Energie in magnetischen Feldern richten sich auf die Entwicklung billiger Hochtemperatursupraleiter.

Elektromagnetische Felder eignen sich überhaupt nicht zur technischen Energiespeicherung. Stärkere Sender für den UKW-Rundfunk haben eine Leistung von 100 kW und verteilen die Sendeenergie auf eine Fläche von etwa 100 km Durchmesser. Das Handy strahlt bei einem Gespräch meist direkt am Ohr. Von den abgestrahlten 0,02 bis 2 Watt Sendeleistung absorbiert der Kopf etwa ein Viertel der elektromagnetischen Feldenergie.