Elektrisches Potential

Das elektrische Potential beschreibt ein elektrisches Feld über die Energie pro Ladung. Weil das Potential ein Skalar ist, werden viele Probleme mit mehreren Ladungen einfacher: Zuerst addiert man die Potentiale algebraisch und verwendet das Ergebnis anschließend für Energiebetrachtungen oder zur Bestimmung des Feldes.

Spannung ist Energie pro Ladung

ΔV = ΔU/q und damit ΔU = qΔV

1 Volt = 1 Joule pro Coulomb.

Eine Potentialdifferenz gehört zu zwei Orten im Feld; elektrische potentielle Energie gehört zu einer bestimmten Ladung an einem Ort. Dasselbe ΔV kann U für eine positive Ladung erhöhen und für eine negative Ladung verringern.

Potential von Punktladungen

V = kQ/r

Für mehrere Punktladungen gilt Superposition: V = Σ(kQᵢ/rᵢ). Anders als elektrische Feldvektoren werden diese Beiträge als vorzeichenbehaftete Skalare addiert.

Potential einer Punktladung

Für eine isolierte Punktladung gilt V = kQ/r, wenn das Potential im Unendlichen als null gewählt wird.

Electric field lines crossing equipotential lines at right angles + gestrichelte Kreise: gleiches VFeld zeigt zu kleinerem VE steht senkrecht auf Äquipotentialflächenfür eine positive Punktladung:V = kQ / rgrößeres r → kleineres positives V
Das Potential ist ein Skalar; das elektrische Feld besitzt eine Richtung. Äquipotentialflächen ordnen die skalaren Werte, und das Feld kreuzt sie in Richtung des stärksten Potentialabfalls.

Vom Potential zurück zum elektrischen Feld

Das elektrische Feld zeigt in Richtung abnehmenden elektrischen Potentials. In einer Dimension gilt Eₓ = −dV/dx. Eine starke räumliche Änderung von V entspricht einem starken Feld; ein räumlich flaches Potential entspricht lokal einem kleinen Feld.

Eine Bewegung entlang einer Äquipotentialfläche hat ΔV = 0, daher ist die mit dieser Verschiebung verbundene elektrostatische Arbeit null. Feldlinien schneiden Äquipotentialflächen deshalb im rechten Winkel.

Potential energy change for positive and negative charges moving through a potential difference höheres Vniedrigeres Velektrisches Feld E +positive Ladung kann U verlieren −negative Ladung reagiert entgegengesetzt
Potentialdifferenz und Änderung der potentiellen Energie sind nicht dieselbe Größe. Sie sind über ΔU = qΔV verknüpft, daher ist das Vorzeichen der bewegten Ladung entscheidend.

Wahl des Nullpotentials

Nur Potentialdifferenzen beeinflussen messbare Energieänderungen, daher ist das Nullniveau eine Referenzwahl. Für isolierte Ladungen ist V = 0 im Unendlichen praktisch. In Schaltungen und Laborsystemen kann ein anderer Punkt als Masse oder null Volt definiert werden.

Eine Änderung der Referenz verschiebt alle Potentiale um dieselbe Konstante, lässt aber ΔV, elektrische Felder und physikalische Vorhersagen unverändert.

Energiebetrachtung und häufige Vorzeichenfehler

Elektrisches Potential ist nicht elektrische potentielle Energie. Ein negatives Potential ist nicht automatisch für jedes Teilchen ein Zustand niedriger Energie: U = qV kehrt die Reihenfolge bei negativem q um. Ebenso kann an einem Punkt V = 0 und dennoch E ≠ 0 gelten, wenn sich positive und negative Quellbeiträge im Potential, aber nicht im Feld aufheben.

Beim Vergleich zweier Punkte ist die vom elektrischen Feld verrichtete Arbeit W_Feld = −ΔU = −qΔV. Eine positive Ladung, die aus der Ruhe freigegeben wird, beschleunigt tendenziell zu kleinerem V; eine negative Ladung zu größerem V. Diese Energieregel ist oft schneller als der Versuch, die Kraft aus einem auswendig gelernten Vorzeichenmuster abzuleiten.

Durchgerechnete Beispiele

1. Potential einer Punktladung

Bestimme V in 0,30 m Abstand von einer Punktladung von +4,0 nC, mit V = 0 im Unendlichen.

Lösung

V = kQ/r = (8,99 × 10⁹)(4,0 × 10⁻⁹)/0,30 ≈ 120 V.

2. Energieänderung durch Spannung

Eine Ladung von +2,0 μC bewegt sich durch ΔV = −150 V. Bestimme ΔU.

Lösung

ΔU = qΔV = (2,0 × 10⁻⁶)(−150) = −3,0 × 10⁻⁴ J. Ihre elektrische potentielle Energie nimmt ab.

3. Gleichförmiges Feld aus einer Potentialänderung

Das Potential fällt in einem Bereich mit gleichförmigem, zur Verschiebung parallelem Feld über 0,20 m um 600 V. Bestimme den Feldbetrag.

Lösung

Für ein gleichförmiges eindimensionales Feld gilt |E| = |ΔV|/Δx = 600/0,20 = 3,0 × 10³ V·m⁻¹, gerichtet zu kleinerem Potential.