In diesem Kurs lernst du die quantitativen Zusammenhänge der Elektrizitätslehre kennen. Aus Elektrik 1 weißt du bereits qualitativ, wie ein Stromkreis funktioniert. Jetzt geht es um konkrete Werte und Formeln.
Diese fünf Größen begegnen dir immer wieder:
| Größe | Symbol | Einheit | Was sie beschreibt |
|---|---|---|---|
| Ladung | Q | Coulomb (C) | Menge der elektrischen „Substanz" — getragen von Elektronen |
| Stromstärke | I | Ampere (A) | Wie viel Ladung pro Sekunde fließt |
| Spannung | U | Volt (V) | Energie pro Ladung — der Antrieb für den Strom |
| Widerstand | R | Ohm (Ω) | Wie stark ein Bauteil den Strom bremst |
| Leistung | P | Watt (W) | Wie viel Energie pro Sekunde umgesetzt wird |
In Schaltplänen wird der Strompfeil immer vom Pluspol zum Minuspol der Quelle gezeichnet – das ist die technische Stromrichtung.
Tatsächlich wandern die Elektronen aber umgekehrt durch den Leiter: vom Minuspol zum Pluspol. Das liegt daran, dass die technische Stromrichtung schon festgelegt wurde, bevor man die Elektronen entdeckt hatte.
Merksatz: Pfeile in Schaltplänen zeigen immer die technische Stromrichtung. Wenn du auf Teilchenebene argumentierst, denke an die Elektronen, die in die andere Richtung laufen.
Aus dem Atomkurs weißt du: Atome bestehen aus drei Teilchensorten:
- Protonen (positiv geladen) im Kern
- Neutronen (ungeladen) im Kern
- Elektronen (negativ geladen) in der Hülle
Normalerweise hat ein Atom gleich viele Protonen wie Elektronen – es ist neutral nach außen. Wenn ein Atom Elektronen verliert oder zusätzlich aufnimmt, wird es zu einem Ion:
- Elektronenüberschuss → negativ geladen
- Elektronenmangel → positiv geladen
Einheit der Ladung: 1 Coulomb (1 C)
Ein einzelnes Elektron trägt die winzige Elementarladung:
e = 1,6 · 10⁻¹⁹ C
Umgekehrt entsprechen 1 C ungefähr 6,24 · 10¹⁸ Elektronen – also rund 6 Trillionen. Du siehst: schon eine sehr kleine Stoffmenge enthält enorm viele Ladungsträger.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an (wie bei Magnetpolen).
- Ladung kann nicht aus dem Nichts entstehen oder verschwinden – sie wird nur verschoben (Ladungserhaltung).
- In Metallen sind viele Elektronen frei beweglich. Das ist der Grund, warum Metalle so gut leiten.
Reibst du einen Luftballon an deinen Haaren, wandern Elektronen vom Haar auf den Ballon. Der Ballon ist danach negativ geladen, die Haare positiv. Hältst du den Ballon an die Wand, bleibt er hängen – die Ladungen ziehen Wandatome an.
Lade Aufgabe...
Die Stromstärke I gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließt:
Formel: I = Q / t
- I = Stromstärke in Ampere (A)
- Q = Ladung in Coulomb (C)
- t = Zeit in Sekunden (s)
1 Ampere = 1 Coulomb pro Sekunde
Stromstärke misst man mit dem Amperemeter – das wird immer in Reihe mit dem Bauteil geschaltet (der Strom muss durch das Messgerät hindurch fließen).
Lösung:
- Gegeben: I = 2 A, t = 10 s
- Gesucht: Q
- Formel umstellen: Q = I · t
- Berechnung: Q = 2 A · 10 s = 20 C
Antwort: Durch die Lampe fließen 20 Coulomb Ladung.
Lade STACK-Frage...
Lade Aufgabe...
⏳ Lade Aufgabe vom Server...
Die elektrische Spannung U ist das, was die Elektronen im Stromkreis „antreibt". Sie sagt dir, wie viel Energie jede Ladung von der Quelle bekommt:
Formel: U = E / Q
- U = Spannung in Volt (V)
- E = Energie in Joule (J)
- Q = Ladung in Coulomb (C)
1 Volt = 1 Joule pro Coulomb
Das heißt: An einer 1,5-V-Batterie bekommt jedes Coulomb Ladung 1,5 Joule Energie zugeführt. An einer 230-V-Steckdose sind es 230 J pro Coulomb – deutlich mehr und deshalb gefährlich!
| Spannungsquelle | Spannung |
|---|---|
| Knopfzelle | 1,5 V |
| AA-Batterie | 1,5 V |
| Handy-Akku | 3,7 V |
| Autobatterie | 12 V |
| Steckdose (DE) | 230 V |
| Bahnstrom | 15.000 V |
| Hochspannungsleitung | bis 380.000 V |
Spannung misst man mit dem Voltmeter – immer parallel zum Bauteil angeschlossen. Das Voltmeter „misst die Höhe", nicht den Fluss.
Stell dir Spannung wie einen Höhenunterschied im Wasser-Modell vor:
- Hoher Stausee → großer Höhenunterschied → starke Strömung (hohe Spannung → großer Strom)
- Flacher Teich → kein Höhenunterschied → kein Fluss (keine Spannung → kein Strom)
Eine Batterie ist also wie eine Pumpe, die das „Wasser" (Ladungen) auf ein höheres Niveau hebt.
Lade Aufgabe...
Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand:
U = R · I
- U = Spannung in Volt (V)
- R = Widerstand in Ohm (Ω)
- I = Stromstärke in Ampere (A)
Merksatz: Je höher die Spannung, desto höher die Stromstärke (bei gleichem Widerstand). Je höher der Widerstand, desto geringer die Stromstärke (bei gleicher Spannung).
Lösung:
- Gegeben: U = 12 V, I = 0,5 A
- Gesucht: R
- Formel umstellen: R = U / I
- Berechnung: R = 12 V / 0,5 A = 24 Ω
Antwort: Der Widerstand beträgt 24 Ohm.
Lade STACK-Frage...
Lade Aufgabe...
⏳ Lade Aufgabe vom Server...
Die elektrische Leistung P gibt an, wie viel Energie pro Zeit umgesetzt wird:
P = U · I
- P = Leistung in Watt (W)
- U = Spannung in Volt (V)
- I = Stromstärke in Ampere (A)
1 Watt = 1 Joule pro Sekunde
Die Leistung beschreibt, wie "stark" ein elektrisches Gerät ist. Eine 100-W-Glühbirne setzt mehr Energie um als eine 60-W-Glühbirne.
Lösung:
- Gegeben: U = 230 V, I = 0,3 A
- Gesucht: P
- Formel: P = U · I
- Berechnung: P = 230 V · 0,3 A = 69 W
Antwort: Die Lampe hat eine Leistung von 69 Watt.
Lade STACK-Frage...
Lade Aufgabe...
⏳ Lade Aufgabe vom Server...
Die elektrische Energie E gibt an, wie viel Energie insgesamt umgesetzt wurde:
E = U · I · t
oder alternativ:
E = P · t
- E = Energie in Joule (J) oder Wattsekunden (Ws)
- P = Leistung in Watt (W)
- t = Zeit in Sekunden (s)
Wichtig: In der Praxis wird elektrische Energie oft in Kilowattstunden (kWh) angegeben.
1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3.600.000 Ws = 3,6 MJ
Lösung:
- Gegeben: P = 2000 W, t = 5 min = 300 s
- Gesucht: E
- Formel: E = P · t
- Berechnung: E = 2000 W · 300 s = 600.000 Ws = 600 kWs = 0,167 kWh
Antwort: Der Wasserkocher verbraucht 600 kWs oder etwa 0,17 kWh.
Lade STACK-Frage...
Lade STACK-Frage...
Lade Aufgabe...
⏳ Lade Aufgabe vom Server...
Beim Zeichnen von Stromkreisen verwendet man genormte Schaltzeichen. So sehen die wichtigsten aus:
| Bauteil | Schaltzeichen | Funktion | |
|---|---|---|---|
| Spannungsquelle | langer + kurzer Strich (\ | ⎮) | liefert Spannung |
| Lampe | Kreis mit X | wandelt Strom in Licht/Wärme | |
| Widerstand | Rechteck (▭) | begrenzt den Strom | |
| Schalter | Strich, der „aufklappt" | öffnet/schließt den Kreis | |
| Voltmeter | Kreis mit V | misst Spannung (parallel) | |
| Amperemeter | Kreis mit A | misst Stromstärke (in Reihe) | |
| Diode | Dreieck mit Strich (▷\ | ) | leitet nur in einer Richtung |
| Leitung | Linie | verbindet Bauteile |
In Elektrik 1 hast du Reihen- und Parallelschaltungen qualitativ kennengelernt. Jetzt kannst du die Werte auch ausrechnen:
Reihenschaltung (Verbraucher hintereinander):
- Stromstärke: I = I₁ = I₂ (überall gleich)
- Spannung: U = U₁ + U₂ (teilt sich auf)
- Gesamtwiderstand: R = R₁ + R₂
Parallelschaltung (Verbraucher nebeneinander):
- Stromstärke: I = I₁ + I₂ (teilt sich auf)
- Spannung: U = U₁ = U₂ (überall gleich)
- Gesamtwiderstand: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ → R ist immer kleiner als jeder Einzelwiderstand.
Zwei Glühlampen mit je 60 Ω werden an eine 12-V-Batterie angeschlossen.
- In Reihe: R = 120 Ω → I = 12 V / 120 Ω = 0,1 A. Jede Lampe bekommt nur 6 V – sie leuchtet schwach.
- Parallel: R = 30 Ω → I = 12 V / 30 Ω = 0,4 A. Jede Lampe bekommt volle 12 V – sie leuchten hell, aber die Batterie wird schneller leer.
Lade Aufgabe...
Aus Elektrik 1 kennst du die Grundregeln im Umgang mit Strom. Jetzt kannst du sie auch physikalisch begründen.
Gefährlich wird Strom dadurch, dass er durch deinen Körper fließt. Die Stromstärke ist dabei entscheidend – nicht die Spannung allein:
| Stromstärke (durch den Körper) | Wirkung |
|---|---|
| < 0,5 mA | unmerklich |
| 1–10 mA | spürbar bis schmerzhaft |
| 10–25 mA | Muskelkrampf, Loslassen unmöglich |
| > 50 mA | Herzkammerflimmern, Lebensgefahr |
| > 100 mA | meist tödlich |
Mit dem Ohmschen Gesetz lässt sich das durchrechnen: Der Körper hat einen Widerstand von ungefähr R = 1.000 Ω (trocken viel höher, nass deutlich niedriger).
I = U / R = 230 V / 500 Ω = 0,46 A = 460 mA
Das ist weit über der tödlichen Grenze. Deshalb sind Steckdosen im Bad nur mit FI-Schutzschalter zugelassen, der bei 30 mA Fehlerstrom abschaltet.
- Schmelzsicherung / Leitungsschutzschalter (LS): trennt den Stromkreis, wenn die Stromstärke einen Grenzwert (z. B. 16 A) überschreitet. Schützt vor Kabelbrand bei Kurzschluss oder Überlast.
- Kurzschluss: zwei Leiter berühren sich direkt, der Widerstand wird fast null. Nach I = U/R wird die Stromstärke sehr groß – ohne Sicherung würde das Kabel schmelzen.
- Schutzkontakt-Stecker (Schuko): leitet Defektströme über den Schutzleiter in die Erde ab.
- FI-Schutzschalter (RCD): vergleicht den hinfließenden mit dem zurückfließenden Strom. Bei Abweichung (= Strom fließt unerwünscht ins Erdreich oder durch einen Menschen) trennt er innerhalb von 30 ms ab.
Lade Aufgabe...
Lade STACK-Frage...
1. Stromstärke: I = Q / t
2. Spannung: U = E / Q
3. Ohmsches Gesetz: U = R · I
4. Elektrische Leistung: P = U · I
5. Elektrische Energie: E = U · I · t = P · t
Wichtige Einheiten:
- Ladung: 1 Coulomb (C)
- Stromstärke: 1 Ampere (A) = 1 C/s
- Spannung: 1 Volt (V) = 1 J/C
- Widerstand: 1 Ohm (Ω) = 1 V/A
- Leistung: 1 Watt (W) = 1 J/s
- Energie: 1 Joule (J) = 1 Ws oder 1 Kilowattstunde (kWh) = 3,6 MJ
Reihenschaltung: I gleich, U addiert, R addiert
Parallelschaltung: U gleich, I addiert, 1/R addiert