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Rechnen: elektrische Energie

Der Stromzähler im Sicherungskasten zählt genau das mit, was E = U · I · t beschreibt — samt Umrechnung in Kilowattstunden auf der Rechnung.

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Einstieg — Die Energie, die durch das Kabel kommt

Drei Faktoren, keine Wurzel — dafür eine völlig neue Einheit.

Elektrische Energie kannst du nicht sehen — bezahlt wird sie trotzdem.

  • Elektrische Energie:Sie wird von Ladungen transportiert, die durch einen Leiter fließen.
  • Stromzähler:Er sitzt im Sicherungskasten und zählt mit, wie viel Energie ins Haus fließt.
  • Einmal im Jahr:Nach seinem Stand bekommt deine Familie die Stromrechnung.
  • Drei Größen:Spannung U, Stromstärke I und Zeit t — eine mehr als bei allen bisherigen Formeln.
  • Kein Quadrat:Es gibt auch keinen Faktor ½; alle drei Größen gehen einfach ein.
Merke

Elektrische Energie

Elektrische Energie: Ladungen transportieren sie durch einen Leiter; der Stromzähler misst sie.

Drei Größen: Sie hängt von Spannung \(U\), Stromstärke \(I\) und Zeit \(t\) ab, ohne Quadrat und ohne Faktor \(\tfrac12\).

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Erklärung — E = U · I · t — und was eine Kilowattstunde wirklich ist

Drei Größen, zwei Rechenschritte und eine Einheit, die auf jeder Stromrechnung steht.

Die drei Größen

Stell dir den Strom wie Wasser in einer Leitung vor.

  • Stromstärke I:Sie sagt, wie viele Ladungen pro Sekunde vorbeifließen, gemessen in Ampere (A).
  • Spannung U:Sie sagt, wie viel Energie jede einzelne Ladung mitbringt, gemessen in Volt (V).
  • Zeit t:Sie sagt, wie lange das Ganze läuft, gemessen in Sekunden (s).
  • Zusammen:Alle drei Größen multipliziert ergeben die übertragene Energie.
Merke

Elektrische Energie aus Spannung, Stromstärke und Zeit:

Eel = U · I · t

Eel: Elektrische Energie in Joule (J).

U: Spannung in Volt (V).

I: Stromstärke in Ampere (A).

t: Zeit in Sekunden (s).

Leistung: \(P=U\cdot I\) ist die pro Sekunde übertragene Energie, Einheit Watt: \(1\,\mathrm V\cdot1\,\mathrm A=1\,\mathrm W\).

Einheit: Eine Wattsekunde ist ein Joule: \(1\,\mathrm{W\cdot s}=1\,\mathrm J\).

Kilowattstunde: Das ist die Energie, die ein 1000-Watt-Gerät in einer Stunde umsetzt. Leistung in kW mal Zeit in h ergibt direkt kWh.

Ein nützliches Zwischenergebnis: U · I

Rechnest du nur die ersten beiden Faktoren aus, erhältst du die Leistung P.

  • Bedeutung:Die Leistung ist die Energie, die pro Sekunde übertragen wird.
  • Einheit:Sie heißt Watt, denn 1 V · 1 A = 1 W.
  • Typenschild:Genau diese Zahl steht auf jedem Gerät.
  • Für dich:P ist vor allem ein bequemer Zwischenschritt beim Rechnen.
Merke

In zwei Schritten rechnen:

P = U · I     E = P · t

P: Leistung in Watt (W), also Spannung mal Stromstärke.

t: Zeit in Sekunden (s); damit wird aus der Leistung die Energie.

Die Einheitenprobe

Merke

Die Einheiten ergeben tatsächlich Joule:

V · A · s = W · s = J

Eine Wattsekunde ist dasselbe wie ein Joule. Die Energieeinheit bleibt also die alte.

Die Kilowattstunde — Joule für den Alltag

Ein Haushalt verbraucht im Jahr rund 10 000 000 000 Joule — mit solchen Zahlen will niemand hantieren.

  • Kilowattstunde:Deshalb benutzt die Stromrechnung die größere Einheit kWh.
  • Bedeutung:Eine kWh ist die Energie, die ein 1000-Watt-Gerät in einer Stunde umsetzt.
  • Auf der Rechnung:Der Preis wird immer pro Kilowattstunde angegeben.
Merke

Eine Kilowattstunde sind 3,6 Millionen Joule:

1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ

Von Joule zu Kilowattstunden teilst du durch 3 600 000, umgekehrt multiplizierst du damit.

Ein Rechentrick spart Zeit: Steht die Leistung in Kilowatt und die Zeit in Stunden, ergibt das Produkt direkt Kilowattstunden.

Aus dem Unterricht

Die Formel an der Tafel — und die Sache mit den Wattstunden

Drei Größen, eine Formel — und eine Umrechnung, die auf jedem Akku steht.

Merke

Dieselbe Formel, wie sie an der Tafel stand:

Eel = U · I · t

Eel: Energie in Joule (J).

U: Spannung in Volt (V).

I: Stromstärke in Ampere (A).

t: Zeit in Sekunden (s).

Wattstunden in Joule — und zurück

1 Wh = 3600 J(eine Stunde hat 3600 s)
10 Wh = 36.000 J
Die Stolperstelle war jedes Mal die Zeit. In die Formel gehören Sekunden: 2 min sind 120 s — wer Minuten einsetzt, rechnet um den Faktor 60 daneben.

Unterrichtsmitschrift Elektrische Energie

Interaktiv: Der Energie-Zähler

Die Formel hat drei Faktoren — da verliert man leicht das Gefühl dafür, welcher davon wirklich etwas ausmacht. Im Applet drehst du an jeder Größe einzeln und siehst sofort, wie weit der kWh-Balken wandert. Die rote Marke zeigt, wo eine ganze Kilowattstunde liegt.

Der Energie-Zähler

Der Balken zeigt, wie viele Kilowattstunden bei Spannung, Stromstärke und Laufzeit zusammenkommen.

SPANNUNG U 230 V · STROMSTÄRKE I 2 A · ZEIT t 1 h = ENERGIE E 0 J Leistung P = U · I Energie in Kilowattstunden:
Spannung, Stromstärke und Zeit stehen auf den Startwerten.

Zwei Beobachtungen lohnen sich: Ein Gerät mit winziger Stromstärke, das dafür stundenlang läuft, kann mehr Energie sammeln als ein starkes Gerät für ein paar Minuten — der Stromzähler interessiert sich nur für das Produkt. Und: Verdoppelst du die Spannung bei gleicher Stromstärke, verdoppelt sich die Energie. Kein Quadrat, keine Wurzel — hier zählt jeder Faktor genau einfach.

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Hinweise — Damit nichts schiefgeht

Drei Stellen, an denen es bei der elektrischen Energie oft hakt:

Zeit in Sekunden

In die Formel gehören Sekunden: Minuten mal 60, Stunden mal 3600 — sonst liegst du um genau diesen Faktor daneben.

Volt und Ampere einsetzen

U muss in Volt und I in Ampere stehen; Milliampere teilst du vorher durch 1000.

Leistung als Zwischenergebnis

Notiere P = U · I als Zwischenergebnis: in kW mal Stunden ergibt es sofort kWh, und über 3000 W liegt kaum ein Haushaltsgerät.

Videos zur elektrischen Energie