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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) basieren einerseits auf der Doppelschichtkapazität durch Ladungstrennung an der Phasengrenze zwischen Elektrodenoberflächen und Elektrolyt und andererseits auf der  elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie in einer Pseudokapazität, die z. B. durch Redoxreaktionen erzeugt werden kann. Bei Hybridkondensatoren, wie den Lithium-Ionen-Kondensatoren, hat eine Elektrode eine hohe Doppelschichtkapazität und die andere eine hohe Pseudokapazität. 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. Zwar ist für Batterien die Energiedichte etwa eine Größenordnung höher, aber bei der Leistungsdichte sind Kondensatoren mit 3 000 W/kg um eine Größenordnung besser, weil die Lade- bzw. Entladezeit der  Akkumulatoren um zwei Größenordnungen länger ist.
Für kurzzeitige Vorgänge wie Starten und Bremsen können deshalb parallel zu den Akkumulatoren Superkondensatoren verwendet werden. In China wurde sogar der Prototyp einer Straßenbahn gebaut, der ohne Oberleitung mit Hilfe eines Tonnen-schweren Superkondensators fährt, der die Bremsenergie speichert und innerhalb von 30 s an den Haltestellen aufgeladen wird.

Die in einer Spule mit der Selbstinduktivität L (Einheit V A−1 s  bzw. Henry [H]) durch den Fluss eines Stromes I 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. Aber das Handy strahlt bei einen Gespräch direkt am Ohr. Von den abgestrahlten 0.02 bis 2 Watt Sendeleistung absorbiert der Kopf etwa ein Viertel der elektromagnetischen Feldenergie.

 

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letzte Änderung: 12.12.2013