Elektrische Grundgrößen: Das Fundament für IT-Fachkräfte

Die vier elektrischen Grundgrößen

Elektrische Spannung (U)

Die elektrische Spannung ist die treibende Kraft, welche Elektronen durch einen elektrischen Leiter bewegt. Die Einheit der Spannung ist Volt (V).

Ein anschaulicher Vergleich ist ein Wasserrohr: Die Spannung entspricht dem Wasserdruck. Je höher der Druck, desto stärker fließt das Wasser. Genauso führt bei gleichem Widerstand eine höhere Spannung zu einem größeren Stromfluss.

Typische Spannungswerte in der IT

• 230 V AC – Haushaltssteckdose
• 12 V DC – PC-Netzteile, Lüfter und Festplatten
• 5 V DC – USB und ältere Laufwerke
• 3,3 V DC – Mainboard, RAM und Logikbausteine
• 1,8 V bzw. 1,2 V – moderne Prozessoren

Elektrischer Strom (I)

Der elektrische Strom beschreibt die Bewegung elektrischer Ladungsträger durch einen Leiter. Seine Einheit ist Ampere (A).

Im Vergleich mit dem Wasserrohr entspricht der Strom der Wassermenge, die pro Sekunde durch das Rohr fließt.

Typische Stromstärken

• USB 2.0 – maximal 0,5 A
• USB 3.0 – maximal 0,9 A
• USB-C Power Delivery – bis zu 5 A
• Haushaltssicherung – 16 A
• Server-Netzteile – etwa 8 bis 20 A

Elektrischer Widerstand (R)

Der Widerstand begrenzt den Stromfluss und wird in Ohm (Ω) gemessen.

Ein schmales Wasserrohr besitzt einen höheren Widerstand als ein breites Rohr. Ebenso begrenzen elektrische Widerstände den Stromfluss in einer Schaltung.

Widerstände spielen in der IT eine wichtige Rolle, da elektrische Energie teilweise in Wärme umgewandelt wird. Deshalb benötigen Prozessoren, Netzteile und Grafikkarten Kühlkörper, Lüfter und Wärmeleitpaste.

Elektrische Leistung (P)

Die elektrische Leistung beschreibt die pro Zeit umgesetzte Energie. Gemessen wird sie in Watt (W).

Typische Leistungsaufnahmen

• Notebook – 15 bis 65 W
• Desktop-PC – 80 bis 500 W
• 1U-Server – 200 bis 700 W
• Gaming-Grafikkarte – 150 bis 400 W
• Raspberry Pi 4 – etwa 5 W

Das Ohmsche Gesetz: Die wichtigste Formel der Elektrotechnik

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand.

U = R × I

Durch Umstellen entstehen die beiden weiteren Formeln:

R = U ÷ I

I = U ÷ R

Merkhilfe: Zeichne das bekannte Formel-Dreieck mit U oben sowie R und I unten. Decke die gesuchte Größe ab – die verbleibenden Größen ergeben automatisch die richtige Formel.

Rechenbeispiel 1

Eine LED besitzt einen Widerstand von 200 Ω und wird mit 5 V betrieben.

I = U ÷ R

I = 5 V ÷ 200 Ω

I = 0,025 A = 25 mA

Rechenbeispiel 2

Eine Glühlampe nimmt bei 230 V einen Strom von 0,5 A auf.

R = U ÷ I

R = 230 V ÷ 0,5 A

R = 460 Ω

Rechenbeispiel 3

Durch einen Widerstand von 100 Ω sollen maximal 50 mA fließen.

U = R × I

U = 100 Ω × 0,05 A

U = 5 V

Das Leistungsgesetz

Die elektrische Leistung steht in direktem Zusammenhang mit Spannung und Stromstärke.

P = U × I

Aus dem Ohmschen Gesetz lassen sich zwei weitere wichtige Formeln für die elektrische Leistung ableiten.

P = U² ÷ R

P = I² × R

Je nach Aufgabenstellung kannst du die passende Formel auswählen. Häufig sind Spannung und Strom gegeben, manchmal jedoch nur Widerstand und Strom oder Widerstand und Spannung.

Rechenbeispiel 1

Ein Server-Netzteil liefert eine Spannung von 12 V und einen Strom von 15 A.

P = U × I

P = 12 V × 15 A

P = 180 W

Rechenbeispiel 2

Ein Gerät besitzt eine Leistungsaufnahme von 65 W bei einer Netzspannung von 230 V.

I = P ÷ U

I = 65 W ÷ 230 V

I ≈ 0,28 A

Rechenbeispiel 3

Über einem Widerstand von 10 Ω fließt ein Strom von 2 A.

P = I² × R

P = 2² × 10

P = 4 × 10

P = 40 W

Prüfungstipp: Achte immer auf die Einheiten. Milliampere (mA) müssen vor der Berechnung in Ampere (A) umgerechnet werden.

Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC)

In der Elektrotechnik wird grundsätzlich zwischen Gleichstrom (DC – Direct Current) und Wechselstrom (AC – Alternating Current) unterschieden.

Gleichstrom (DC)

Gleichstrom fließt dauerhaft in dieselbe Richtung. Batterien, Akkus und Netzteile liefern Gleichstrom und versorgen damit nahezu sämtliche elektronische Komponenten moderner IT-Systeme.

Typische Gleichspannungsquellen

• USB – 5 V DC
• Laptop-Akkus – ca. 11,1 V DC
• 12-V-Schiene eines PC-Netzteils
• Power over Ethernet (PoE) – 48 V DC

Prozessoren, Arbeitsspeicher, SSDs, Festplatten und Mainboards arbeiten ausschließlich mit Gleichstrom.

Wechselstrom (AC)

Beim Wechselstrom ändert sich die Stromrichtung in regelmäßigen Zeitabständen. In Deutschland beträgt die Netzfrequenz 50 Hz, wodurch sich die Stromrichtung fünfzigmal pro Sekunde ändert.

Typische Wechselspannungsquelle

• Haushaltssteckdose – 230 V AC

Wechselstrom eignet sich besonders gut für den Transport elektrischer Energie über große Entfernungen, da sich Spannungen mithilfe von Transformatoren effizient anpassen lassen.

Vom Stromnetz zur Hardware

Ein PC-Netzteil übernimmt die Aufgabe, die Netzspannung von 230 V AC in verschiedene Gleichspannungen umzuwandeln. Erst dadurch können Mainboard, CPU, Grafikkarte, Laufwerke und Lüfter sicher betrieben werden.

Merke: Die Steckdose liefert Wechselstrom, Computerkomponenten benötigen jedoch Gleichstrom. Das Netzteil bildet die Schnittstelle zwischen beiden Stromarten.

Schaltungsarten: Reihen- und Parallelschaltung

In elektrischen Schaltungen werden Widerstände häufig miteinander kombiniert. Die beiden wichtigsten Schaltungsarten sind die Reihenschaltung und die Parallelschaltung. Beide besitzen unterschiedliche elektrische Eigenschaften und gehören regelmäßig zu den Themen der AP2-Prüfung.

Reihenschaltung

Bei einer Reihenschaltung werden mehrere Widerstände hintereinander verbunden. Der elektrische Strom besitzt nur einen einzigen Strompfad und fließt nacheinander durch alle Widerstände.

Eigenschaften der Reihenschaltung

• Der Gesamtwiderstand ist die Summe aller Einzelwiderstände.
• Durch alle Widerstände fließt derselbe Strom.
• Die Teilspannungen addieren sich zur Gesamtspannung.

Gesamtwiderstand:

Rges = R1 + R2 + R3 + ...

Strom:

Iges = I1 = I2 = I3

Spannung:

Uges = U1 + U2 + U3

Rechenbeispiel

Drei Widerstände mit 100 Ω, 200 Ω und 300 Ω werden in Reihe an einer Spannung von 12 V betrieben.

Rges = 100 + 200 + 300

Rges = 600 Ω

I = U ÷ R

I = 12 V ÷ 600 Ω

I = 0,02 A = 20 mA

U1 = I × R1

U1 = 0,02 A × 100 Ω = 2 V

U2 = 0,02 A × 200 Ω = 4 V

U3 = 0,02 A × 300 Ω = 6 V

Kontrolle:

2 V + 4 V + 6 V = 12 V ✓

Merke: In einer Reihenschaltung bleibt der Strom überall gleich, während sich die Spannungen auf die einzelnen Widerstände verteilen.

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung liegen alle Widerstände direkt an derselben Spannungsquelle. Dadurch existieren mehrere Strompfade gleichzeitig.

Eigenschaften der Parallelschaltung

• An jedem Widerstand liegt dieselbe Spannung an.
• Die einzelnen Teilströme addieren sich zum Gesamtstrom.
• Der Gesamtwiderstand ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand.

1 ÷ Rges =
1 ÷ R1 +
1 ÷ R2 +
1 ÷ R3

Uges = U1 = U2 = U3

Iges = I1 + I2 + I3

Rechenbeispiel

Zwei Widerstände mit 100 Ω und 200 Ω werden parallel an 12 V betrieben.

1 ÷ Rges

= 1 ÷ 100 + 1 ÷ 200

= 2 ÷ 200 + 1 ÷ 200

= 3 ÷ 200

Rges

= 200 ÷ 3

≈ 66,7 Ω

Iges = U ÷ R

Iges = 12 V ÷ 66,7 Ω

≈ 0,18 A

I1 = 12 V ÷ 100 Ω

= 0,12 A

I2 = 12 V ÷ 200 Ω

= 0,06 A

Kontrolle:

0,12 A + 0,06 A

= 0,18 A ✓

Merke: In einer Parallelschaltung ist die Spannung an jedem Zweig gleich. Dafür verteilt sich der Strom auf mehrere Pfade.

Spannungsteiler

Zwei in Reihe geschaltete Widerstände bilden einen sogenannten Spannungsteiler. Damit lässt sich aus einer vorhandenen Spannung eine kleinere Teilspannung erzeugen.

U₂ = Uges ×
R₂ ÷ (R₁ + R₂)

Rechenbeispiel

Gegeben sind zwei Widerstände mit 300 Ω und 100 Ω an einer Gesamtspannung von 12 V.

U₂

= 12 V ×
100 ÷ (300 + 100)

= 12 × 100 ÷ 400

= 3 V

Spannungsteiler kommen unter anderem in Messschaltungen, Sensorelektronik und analogen Eingängen von Mikrocontrollern zum Einsatz.

Prüfungsaufgaben zu elektrischen Grundgrößen

In der AP2-Prüfung werden häufig praxisnahe Berechnungen zu Spannung, Strom, Widerstand und Leistung gestellt. Meist müssen Formeln korrekt ausgewählt, Einheiten umgerechnet und Ergebnisse nachvollziehbar berechnet werden.

Typische Aufgabenstellung 1: Ohmsches Gesetz und Leistung

Ein Widerstand mit 470 Ω liegt an einer Spannung von 9 V. Gesucht sind Stromstärke und Leistung.

Gegeben:

U = 9 V
R = 470 Ω

Gesucht:

I = U ÷ R

I = 9 ÷ 470

≈ 0,019 A

≈ 19,1 mA

P = U × I

P = 9 V × 0,019 A

≈ 0,172 W

Typische Aufgabenstellung 2: Parallelschaltung

Zwei Widerstände mit jeweils 1000 Ω sind parallel an einer Spannung von 5 V angeschlossen. Berechne den Gesamtstrom.

Bei zwei gleichen Widerständen gilt:

Rges = R ÷ 2

Rges = 1000 Ω ÷ 2

= 500 Ω

I = U ÷ R

I = 5 V ÷ 500 Ω

= 0,01 A

= 10 mA

Prüfungstipp: Schreibe den vollständigen Rechenweg auf. Selbst bei einem Rechenfehler werden häufig Teilpunkte für den richtigen Lösungsansatz vergeben.

Häufige Fehler vermeiden

• Milliampere (mA) vor der Berechnung in Ampere (A) umrechnen.
• Volt, Ampere, Ohm und Watt nicht miteinander verwechseln.
• Immer die passende Formel auswählen und erst danach einsetzen.
• Zum Schluss die Plausibilität des Ergebnisses prüfen.

Fazit: Elektrische Grundgrößen sicher beherrschen

Spannung, Strom, Widerstand und Leistung bilden die Grundlage nahezu aller elektrischen und elektronischen Systeme. Wer diese vier Grundgrößen versteht, kann Netzteile, Computerhardware, Server, Netzwerktechnik und viele weitere IT-Komponenten wesentlich besser nachvollziehen.

Für die AP2-Prüfung genügt es nicht, die Formeln auswendig zu kennen. Entscheidend ist, Zusammenhänge zu verstehen und Berechnungen sicher durchführen zu können. Das Ohmsche Gesetz und das Leistungsgesetz gehören deshalb zu den wichtigsten Formeln der gesamten Elektrotechnik.

Übe regelmäßig mit eigenen Rechenbeispielen, wiederhole Reihen- und Parallelschaltungen sowie den Spannungsteiler und achte auf saubere Einheiten. Mit etwas Übung werden selbst umfangreiche Berechnungsaufgaben schnell zur Routine.

Merke: Vier Grundgrößen, zwei zentrale Formeln und ein sicheres Verständnis der Schaltungsarten reichen aus, um die meisten elektrotechnischen Aufgaben in der IT-Ausbildung und in der AP2-Prüfung erfolgreich zu lösen.