Elektrische Grundgrößen: Spannung, Strom und Widerstand einfach erklärt

Auf deinem USB-Ladegerät steht „5 V, 2 A“. Auf dem Netzteil des Notebooks steht etwas wie „19 V, 3,42 A“. Was bedeuten diese Angaben, und was passiert, wenn du ein Ladegerät mit einer anderen Ampere-Zahl nimmst? Die Antwort liegt in drei Größen, die in der gesamten Elektrotechnik auftauchen: Spannung, Strom und Widerstand.

Wer sie versteht, versteht auch, warum ein PC-Netzteil mehrere Spannungen liefert, warum ein langes Kabel Probleme machen kann und was bei Power over Ethernet im Netzwerkkabel passiert.

Der Stromkreis: Ohne Kreis kein Strom

Damit überhaupt etwas fließt, braucht es einen geschlossenen Stromkreis. Er besteht mindestens aus drei Teilen:

• einer Quelle, zum Beispiel einem Netzteil oder einem Akku,
• einem Verbraucher, etwa einer LED, einem Lüfter oder dem Mainboard,
• Leitungen, die beide verbinden und den Kreis schließen.

Unterbrichst du den Kreis an einer Stelle, etwa mit einem Schalter, fließt nichts mehr. Das Prinzip steckt in jedem Gerät, vom einfachen Lüfter bis zum Server.

Spannung: Der Antrieb

Die elektrische Spannung gibt an, wie stark eine Quelle Ladungen „antreibt“. Technisch beschreibt sie den Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen zwei Punkten, zum Beispiel zwischen Pluspol und Minuspol einer Batterie. Das Formelzeichen ist U, die Einheit heißt Volt (V).

Ohne Spannung kein Antrieb, und ohne Antrieb fließt auch bei geschlossenem Kreis nichts. Aus der IT kennst du diese Werte:

Quelle oder Bauteil	Typische Spannung
Steckdose in Deutschland	230 V Wechselspannung
USB-Anschluss (Standard)	5 V
PC-Netzteil, Ausgänge	12 V, 5 V und 3,3 V
Mignon-Batterie (AA)	1,5 V
Power over Ethernet	rund 48 V

Spannung wird parallel gemessen. Du hältst die Messspitzen an zwei Punkte, zwischen denen du die Spannung wissen willst. Der Stromkreis bleibt dabei geschlossen.

Strom: Der Durchfluss

Der elektrische Strom beschreibt, wie viele Ladungen pro Zeit durch einen Leiter fließen. Das Formelzeichen ist I, die Einheit Ampere (A). Ein Ampere entspricht einer Ladungsmenge von einem Coulomb pro Sekunde:

I = Q ÷ t

I = Stromstärke in Ampere (A)
Q = Ladung in Coulomb (C)
t = Zeit in Sekunden (s)

In der IT begegnen dir oft kleine Ströme, deshalb rechnest du häufig in Milliampere (mA). 1 A entspricht 1000 mA. Eine einzelne LED kommt zum Beispiel mit rund 20 mA aus, ein Handy lädt mit mehreren hundert bis mehreren tausend Milliampere.

Beim Strom gibt es eine Eigenheit: Die technische Stromrichtung geht vom Pluspol zum Minuspol, obwohl sich die Elektronen in Metallleitern tatsächlich in die Gegenrichtung bewegen. Das ist Konvention aus der Zeit, bevor man es besser wusste. In Schaltplänen gilt die technische Richtung, und damit rechnest du auch in Prüfungen.

Strom wird in Reihe gemessen. Du musst den Stromkreis dazu auftrennen und das Messgerät in die Leitung einfügen, damit der gesamte Strom hindurchfließt.

Widerstand: Die Bremse

Der elektrische Widerstand beschreibt, wie stark ein Bauteil oder eine Leitung den Stromfluss hemmt. Das Formelzeichen ist R, die Einheit Ohm (Ω). Je größer der Widerstand, desto weniger Strom fließt bei gleicher Spannung.

Auch ein Kabel hat einen Widerstand. Er hängt von drei Dingen ab: vom Material, von der Länge und vom Querschnitt. Je länger und dünner die Leitung, desto höher der Widerstand. Die Formel dazu lautet:

R = ρ × l ÷ A

R = Widerstand in Ohm (Ω)
ρ = spezifischer Widerstand des Materials
l = Länge der Leitung in Metern
A = Querschnitt in mm²

Für Kupfer liegt der spezifische Widerstand ρ bei etwa 0,0178 Ω·mm²/m. Rechnen wir ein Beispiel: Eine Verlängerungsleitung ist 10 m lang. Weil der Strom hin und zurück fließt, zählt die doppelte Strecke, also 20 m. Der Querschnitt beträgt 1,5 mm².

R = 0,0178 × 20 ÷ 1,5
R ≈ 0,24 Ω

Das klingt wenig. Bei hohen Strömen fällt auf dieser Strecke aber bereits spürbar Spannung ab, und das Kabel erwärmt sich. Deshalb brauchen Leitungen für große Ströme dickere Querschnitte, und deshalb ist auch die maximale Länge von Netzwerkkabeln nicht beliebig.

Der Widerstand wird ohne anliegende Spannung und am besten am ausgebauten Bauteil gemessen. Sonst verfälscht die Schaltung das Ergebnis oder das Messgerät nimmt Schaden.

Die drei Größen im Überblick

Größe	Formelzeichen	Einheit	Messgerät	Anschluss
Spannung	U	Volt (V)	Voltmeter	parallel
Strom	I	Ampere (A)	Amperemeter	in Reihe
Widerstand	R	Ohm (Ω)	Ohmmeter	ohne Spannung am Bauteil

Im Alltag nutzt du für alle drei Messungen ein Multimeter. Es hat dafür mehrere Messbereiche und Buchsen.

Das Wasser-Bild: Hilfreich, aber mit Grenzen

Viele stellen sich Strom als Wasser in einem Rohr vor. Das hilft beim Einstieg:

• Die Spannung entspricht dem Wasserdruck oder dem Höhenunterschied.
• Der Strom entspricht der Wassermenge, die pro Sekunde durchs Rohr fließt.
• Der Widerstand entspricht einer Verengung im Rohr.

Mehr Druck schiebt mehr Wasser durch dasselbe Rohr. Eine Verengung bremst den Fluss. Das ist genau das Verhalten, das später im Ohmschen Gesetz steckt.

Die Analogie hat aber Grenzen. Ein Rohr mit Loch verliert Wasser, ein elektrischer Leiter verliert keine Ladung. Außerdem gibt es bei Wechselspannung kein sinnvolles Pendant. Nutze das Bild als Gedankenstütze, nicht als Erklärung für jedes Detail.

Gleichstrom und Wechselstrom

Bei Gleichstrom (DC, englisch Direct Current) behält die Spannung ihre Richtung. USB, Akkus und die Ausgänge eines PC-Netzteils liefern Gleichstrom. Alle Bauteile im Rechner arbeiten mit Gleichspannung.

Bei Wechselstrom (AC, Alternating Current) wechselt die Richtung ständig. Die Steckdose liefert in Europa Wechselspannung mit 230 V und 50 Hertz. Das heißt: Die Richtung wechselt 50-mal pro Sekunde in beide Richtungen. Wechselstrom lässt sich über weite Strecken günstig transportieren, deshalb liefern die Stromnetze ihn an die Haushalte.

Weil der Rechner aber Gleichspannung braucht, steckt im Netzteil die Umwandlung von Wechsel- zu Gleichspannung. Wie das funktioniert, behandeln wir im Beitrag Netzteile verstehen.

Praxisbeispiel: Was bedeutet „5 V, 2 A“ auf dem Ladegerät?

Zurück zum Ladegerät vom Anfang. Die Angabe „5 V“ ist die Spannung, die das Netzteil bereitstellt. Sie muss zum Gerät passen. Die Angabe „2 A“ ist der maximale Strom, den das Netzteil liefern kann.

Das ist die Stelle, an der viele zuerst falsch abbiegen: Das Netzteil „drückt“ nicht 2 A in das Handy. Die Spannung wird vorgegeben, und der Verbraucher zieht den Strom, den er braucht. Zieht das Handy 1 A, fließt 1 A. Das Netzteil mit 2 A hat dann Reserve.

Daraus folgt eine praktische Regel für Netzteile mit fester Spannung:

• Die Spannung muss passen. Eine deutlich höhere Spannung kann das Gerät zerstören, eine zu niedrige reicht eventuell nicht zum Betrieb.
• Der Strom darf höher sein. Ein Netzteil mit 12 V und 3 A ist für ein Gerät, das 12 V und 1,5 A braucht, unproblematisch.
• Der Strom darf nicht niedriger sein. Dann wird das Netzteil überlastet und kann überhitzen oder die Spannung bricht ein.

Bei modernen Ladeverfahren wie USB Power Delivery handeln Netzteil und Gerät die Spannung aus. Das ist eine eigene Technik und nicht mit einfachen Festspannungsnetzteilen gleichzusetzen.

Vorsätze und Umrechnen

In der Praxis rechnest du selten in reinen Volt, Ampere und Ohm. Vorsätze machen Werte handlich:

Vorsatz	Zeichen	Faktor	Beispiel
Mikro	µ	0,000001	10 µA = 0,00001 A
Milli	m	0,001	500 mA = 0,5 A
Kilo	k	1.000	4,7 kΩ = 4.700 Ω
Mega	M	1.000.000	1 MΩ = 1.000.000 Ω

Vor jeder Rechnung wandelst du die Werte in Grundeinheiten um. Wer 500 mA direkt als 500 in eine Formel einsetzt, liegt um den Faktor 1000 daneben.

Sicherheit: Wo es gefährlich wird

Mit 5 V an einem USB-Anschluss kannst du gefahrlos experimentieren. Die 230 V der Steckdose sind eine andere Liga. Arbeiten an Netzspannung, etwa das Öffnen eines Netzteils oder das Messen an der Hausinstallation, gehören in die Hand einer Elektrofachkraft. Auch ausgesteckte Netzteile können in Kondensatoren noch Restspannung speichern. Für den Einstieg übst du deshalb an Niederspannung mit Batterien oder an Schaltungen mit Steckernetzteil und lässt die Netzspannung aus.

Typische Fehler und Missverständnisse

• „Spannung fließt.“ Es fließt Strom. Spannung liegt an oder fällt ab.
• „Strom wird verbraucht.“ Der Strom fließt vollständig zur Quelle zurück. Verbraucht, genauer gesagt in Wärme, Licht oder Bewegung umgesetzt, wird Energie.
• Strommessung parallel. Ein Amperemeter hat einen sehr kleinen Innenwiderstand. Parallel zur Quelle angeschlossen, erzeugt es einen Kurzschluss und kann die Messsicherung auslösen.
• mA und A verwechseln. Immer zuerst in Grundeinheiten umrechnen.
• Netzteil mit mehr Ampere für gefährlich halten. Auf die Spannung kommt es an, der Strom ist nur die Obergrenze.

Zum Üben

1. Wandle 350 mA in Ampere um.
2. Wandle 2,2 kΩ in Ohm um.
3. Wie schließt du ein Voltmeter an: in Reihe oder parallel?
4. Ein Gerät braucht 12 V und zieht 1,5 A. Ist ein Netzteil mit 12 V und 3 A geeignet?
5. Berechne den Widerstand einer Kupferleitung mit 20 m Länge und 2,5 mm² Querschnitt (ρ = 0,0178 Ω·mm²/m).

Lösungen: (1) 0,35 A. (2) 2.200 Ω. (3) Parallel zum Bauteil. (4) Ja. Die Spannung passt, und der Strom des Netzteils liegt über dem Bedarf. (5) R = 0,0178 × 20 ÷ 2,5 = 0,1424 Ω, also rund 0,14 Ω.

Das solltest du dir merken

• Strom fließt nur im geschlossenen Stromkreis.
• Spannung U (Volt) ist der Antrieb, Strom I (Ampere) der Durchfluss, Widerstand R (Ohm) die Bremse.
• Spannung misst du parallel, Strom in Reihe.
• Längere und dünnere Leitungen haben mehr Widerstand.
• Ein Netzteil gibt die Spannung vor, der Verbraucher bestimmt den Strom.
• Arbeiten an 230 V sind nichts für den Selbstversuch.

Wie die drei Größen rechnerisch zusammenhängen, zeigt der Beitrag Ohmsches Gesetz einfach erklärt. Du wirst merken, dass du die Formel fast schon aus dem Wasser-Bild ableiten kannst.