Elektrische Grundlagen

Was sind die grundlegenden elektrischen Größen?

Spannung (U)

Stell dir die elektrische Spannung wie den Druck in einem Wasserschlauch vor. Sie ist die treibende Kraft, die elektrische Ladungsträger (Elektronen) durch einen Leiter bewegt. Ohne Spannung fließt kein Strom, so wie ohne Druck kein Wasser aus dem Schlauch kommt. Die Spannung wird in Volt (V) gemessen.

• Rolle im Stromkreis: Die Spannung ist die Ursache dafür, dass ein elektrischer Strom fließen kann. Sie liegt zwischen zwei Punkten eines Stromkreises an und "drückt" die Ladungsträger sozusagen vorwärts.
• Praxisbeispiel: Ein PC-Netzteil erzeugt verschiedene Spannungen (z.B. 12V, 5V, 3.3V), um die unterschiedlichen Komponenten wie die CPU, Festplatten oder den Arbeitsspeicher spezifisch und korrekt mit Energie zu versorgen.

Strom (I)

Der elektrische Strom ist vergleichbar mit der Menge an Wasser, die tatsächlich durch den Wasserschlauch fließt. Er beschreibt, wie viele elektrische Ladungsträger (meist Elektronen) sich pro Zeiteinheit durch einen Leiter bewegen. Der Strom wird in Ampere (A) gemessen.

• Rolle im Stromkreis: Der Strom ist der eigentliche Fluss von elektrischer Ladung, der Arbeit verrichten kann (z.B. eine Lampe zum Leuchten bringen oder einen Prozessor betreiben).
• Praxisbeispiel: Die Stromstärke, die eine Komponente wie eine moderne Grafikkarte unter Last aufnimmt, kann mehrere Ampere betragen. Dieser Stromfluss bestimmt maßgeblich den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung der Komponente.

Widerstand (R)

Der elektrische Widerstand ist wie ein Engpass oder eine Verengung im Wasserschlauch, der den Wasserfluss behindert. Er gibt an, wie stark der Fluss elektrischer Ladungsträger durch einen Leiter oder ein Bauteil gebremst wird. Der Widerstand wird in Ohm (Ω) gemessen.

• Rolle im Stromkreis: Der Widerstand begrenzt den Stromfluss bei einer gegebenen Spannung. Jedes elektrische Bauteil besitzt einen gewissen Widerstand.
• Praxisbeispiel: In elektronischen Schaltungen auf einem Mainboard werden Widerstände gezielt eingesetzt, um Ströme für empfindliche Bauteile wie LEDs zu begrenzen oder um Spannungen für Sensoren anzupassen (Spannungsteiler).

Leistung (P)

Die elektrische Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie pro Zeiteinheit umgewandelt wird (also beispielsweise von einem Gerät verbraucht oder von einer Quelle erzeugt). Sie wird in Watt (W) gemessen. Die Leistung berechnet sich im Gleichstromkreis aus dem Produkt von Spannung und Strom:

P = U * I

• Praxisbeispiel: Die Leistungsangabe eines PC-Netzteils (z.B. 650 Watt) gibt an, wie viel Leistung es maximal an alle angeschlossenen Komponenten (CPU, Grafikkarte etc.) abgeben kann. Eine unzureichende Leistung kann zu Instabilität oder Schäden führen, daher ist die korrekte Dimensionierung des Netzteils entscheidend für einen stabilen PC-Betrieb.

Was ist der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom?

Wechselstrom (AC)

Wechselstrom (AC – für Alternating Current) ändert periodisch seine Richtung und seinen Wert. Stell dir vor, das Wasser im Schlauch fließt ständig hin und her. Im europäischen Stromnetz geschieht dies 50 Mal pro Sekunde, was einer Frequenz von 50 Hertz (Hz) entspricht. Das bedeutet, der Strom wechselt seine Flussrichtung 100 Mal pro Sekunde (50 Mal in die eine, 50 Mal in die andere Richtung).

• Eigenschaften: Kontinuierliche Änderung von Richtung und Stärke.
• Anwendungsbereiche: Hauptsächlich für die Energieübertragung über weite Strecken und in öffentlichen Stromnetzen, da sich die Spannung leicht hoch- oder heruntertransformieren lässt. Die Steckdosen in unseren Haushalten und Büros liefern Wechselstrom.

Gleichstrom (DC)

Gleichstrom (DC – für Direct Current) fließt immer konstant in dieselbe Richtung und behält idealerweise auch seinen Wert bei. Das Wasser im Schlauch fließt also immer nur in eine Richtung mit gleichbleibender Stärke.

• Eigenschaften: Konstante Flussrichtung der Ladungsträger.
• Anwendungsbereiche: Batterien, Akkus (z.B. in Laptops, Smartphones) und Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Viele elektronische Schaltungen und digitale Geräte benötigen Gleichstrom für ihren Betrieb.
• IT-Systeme: Alle Komponenten innerhalb eines Computers (CPU, RAM, Mainboard-Logik, SSDs) werden mit verschiedenen Gleichspannungen (DC) betrieben. Das PC-Netzteil hat die wichtige Aufgabe, den Wechselstrom aus der Steckdose in die benötigten Gleichspannungen umzuwandeln.

Lernziele

• die grundlegenden elektrischen Größen Spannung (U), Strom (I) und Widerstand (R) erklären, indem ihre Definitionen, Einheiten (Volt, Ampere, Ohm) und ihre jeweilige Rolle im einfachen Stromkreis erläutert werden.
• den Begriff der elektrischen Leistung (P) und deren Einheit (Watt) erklären, indem die Formel P = U * I erläutert und die Bedeutung der Leistung für die Dimensionierung von technischen Komponenten (z.B. eines PC-Netzteils) dargestellt wird.
• Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) vergleichen, indem ihre grundlegenden Eigenschaften (z.B. zeitlicher Verlauf, Richtung) und typischen Anwendungsbereiche in der Energieversorgung, insbesondere für IT-Systeme (z.B. Netzteil-Eingang AC vs. interne Komponentenversorgung DC), gegenübergestellt werden.