1. Womit man rechnet: Größen und Einheiten

Eine physikalische Größe ist eine messbare Eigenschaft – z. B. Länge, Temperatur oder Spannung. Sie besteht immer aus einem Zahlenwert und einer Einheit: 230 V, 3,4 m, 36 °C.

In der Technik rechnet man ausschließlich mit SI-Einheiten (oder davon abgeleiteten Einheiten). Die sieben Basisgrößen:

Sehr große oder kleine Werte kürzt man mit Einheitenvorsätzen ab – das spart Nullen und Nerven:

Als ITler kennst du das längst – nur dass k in der Datenwelt manchmal 1024 statt 1000 meint. In der Elektrotechnik ist k immer sauber 1000.

2. Der Sprung aus der Mechanik: Arbeit, Energie, Leistung

Bevor es elektrisch wird, drei mechanische Begriffe, die später 1:1 wiederkommen.

• Gewichtskraft: F_G = m · g mit g = 9,81 m/s². Eine 15-kg-Kiste zieht mit 15 · 9,81 = 147 N nach unten.
• Arbeit: W = F · s – Kraft mal Weg, Einheit Newtonmeter (Nm) bzw. Joule (J).
• Energie ist das Vermögen, Arbeit zu leisten. Sie wird nicht verbraucht, nur umgewandelt (Energieerhaltungssatz). Eine angehobene Last speichert potenzielle Energie, beim Absenken wird daraus kinetische Energie.
• Leistung: P = W / t – verrichtete Arbeit pro Zeit, Einheit Watt (W).

Merke dir das Verhältnis von Arbeit und Leistung – das ist exakt der Unterschied zwischen „wie viel Energie insgesamt“ (kWh auf deiner Stromrechnung) und „wie schnell“ (Watt auf dem Netzteil).

3. Der Stromkreis

Damit Strom fließt, braucht es einen geschlossenen Weg: einen Erzeuger (Spannungsquelle), einen Verbraucher und Hin- und Rückleiter dazwischen. Unterbricht ein Schalter den Weg, ist Schluss.

Zwei Richtungen, die man nicht verwechseln darf:

• Technische Stromrichtung (rot): außerhalb des Erzeugers von Plus nach Minus. Reine Konvention – historisch festgelegt, bevor man das Elektron kannte.
• Elektronenbewegung (blau): die freien Elektronen wandern tatsächlich vom Minuspol weg (Elektronenüberschuss) zum Pluspol – also entgegen der technischen Stromrichtung.

Praxis-Wahrheit: Die Elektronen selbst kriechen nur mit ca. 0,1 – 10 mm/s durch den Leiter (Driftgeschwindigkeit). Trotzdem leuchtet die Lampe sofort, weil sich der elektrische Impuls fast mit Lichtgeschwindigkeit (≈ 300 000 km/s) durch den Leiter fortpflanzt – wie ein voll gefülltes Rohr, bei dem vorne sofort Wasser rauskommt, wenn du hinten drückst.

Leiter, Nichtleiter, Halbleiter

Die Halbleiter sind der Grund, warum du diesen Artikel überhaupt liest: Jeder Transistor, jede CPU, jeder SSD-Flashspeicher basiert auf gezielt „verunreinigtem“ Silizium.

4. Elektrische Ladung Q – die Wurzel von allem

Reibt man einen Kunststoffstab an Wolle, zieht er Papierschnipsel an. Ursache ist die elektrische Ladung Q. Es gibt zwei Sorten:

• Gleichartige Ladungen stoßen sich ab.
• Ungleichartige Ladungen ziehen sich an.

Woher die Ladung kommt, zeigt der Atomaufbau (bohrsches Modell): Ein Atom hat einen Kern (Protonen +, Neutronen neutral) und eine Hülle aus Elektronen −. Werden Elektronen verschoben, entsteht ein Ladungsunterschied.

Die kleinste mögliche Ladung ist die Elementarladung:

e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C        (Einheit: Coulomb, C)

Jede Ladung ist ein Vielfaches davon:

Q = n · e

Eine Ladung von 1 Coulomb entspricht also rund 6,242 · 10¹⁸ Elektronen – das ist die Zahl 1 / e. Sechs Trillionen Elektronen für eine einzige Sekunde 1-A-Strom. Elektronen sind verdammt klein.

5. Elektrische Spannung U

In einer Spannungsquelle werden Ladungen getrennt: ein Pol bekommt Elektronenüberschuss (Minus), der andere Elektronenmangel (Plus). Diese Trennung kostet Arbeit – und die steckt als Energie in den getrennten Ladungen.

U = W / Q        (Einheit: Volt, V)

Spannung ist also Arbeit pro Ladung. Anschaulich wie ein gespanntes Gummiband: Je weiter (= mehr Arbeit) du die Ladungen auseinanderziehst, desto höher die Spannung.

Spannung ist immer eine Differenz zwischen zwei Punkten (Potenzialen). Liegt Punkt A auf φ_A = 9 V und Punkt B auf φ_B = 6 V, beträgt die Spannung dazwischen U = 9 V − 6 V = 3 V.

Sicherheit: Das Berühren von Spannungen über 50 V (AC) kann lebensgefährlich sein. Das ist kein „kann mal pieksen“ – respektiere das, auch im Serverraum hinter der USV.

Wie Spannung erzeugt wird

6. Elektrischer Strom I

Fließen die getrennten Ladungen über einen Verbraucher wieder zusammen, ist das der elektrische Strom: die gerichtete Bewegung freier Elektronen.

I = Q / t        (Einheit: Ampere, A)

Stromstärke ist also Ladung pro Zeit. 1 A bedeutet: pro Sekunde wandert 1 C (also ~6,242 · 10¹⁸ Elektronen) durch den Leiterquerschnitt.

Was Strom alles anrichtet (die fünf Wirkungen)

Die drei Stromarten

• Gleichstrom (DC): fließt nur in eine Richtung, gleichbleibende Stärke → gerade Linie. (Batterie, Netzteil-Ausgang, USB)
• Wechselstrom (AC): Richtung und Stärke wechseln ständig → Sinuskurve. (Steckdose mit 230 V / 50 Hz)
• Mischstrom (UC): Gleichstrom mit überlagertem Wechselanteil → pulsierender Gleichstrom. (z. B. hinter einem Gleichrichter vor der Glättung)

7. Stromdichte J – warum dünne Kabel heiß werden

Durch jeden Querschnitt fließen pro Sekunde gleich viele Elektronen – egal ob dick oder dünn. Im dünnen Leiter müssen sie sich aber schneller durchquetschen → mehr Reibung → mehr Wärme.

J = I / A        (Einheit: A/mm²)

Deshalb gibt es höchstzulässige Stromstärken je Querschnitt (DIN VDE 0298-4). Ein paar Werte für fest verlegte, PVC-isolierte Kupferleitungen (Verlegeart B2, 30 °C):

Genau deshalb riecht ein überlastetes, unterdimensioniertes Verlängerungskabel im Serverschrank irgendwann verschmort. Stromdichte ist kein Theorie-Kram.

8. Alles auf einen Blick

9. Bonus: kleiner Elektro-Rechner in PowerShell

Weil’s hier um IT geht – und weil man Grundlagen am besten behält, wenn man damit spielt: eine kleine Funktion, die dir die wichtigsten Grundgrößen ausrechnet. Kein Programmier-Hexenwerk, reines PowerShell.

<#
.SYNOPSIS
    Berechnet elektrische Grundgroessen (Ladung, Strom, Leistung, Arbeit,
    Anzahl Elektronen) aus den jeweils bekannten Werten.

.DESCRIPTION
    Lernhilfe zu den Grundbegriffen der Elektrotechnik. Es werden nur die
    Parameter angegeben, die bekannt sind - die Funktion leitet daraus die
    abhaengigen Groessen ab.

.PARAMETER Spannung   Spannung U in Volt (V)
.PARAMETER Strom      Stromstaerke I in Ampere (A)
.PARAMETER Zeit       Zeit t in Sekunden (s)
.PARAMETER Ladung     Ladung Q in Coulomb (C)

.EXAMPLE
    Get-ElektroGrundgroessen -Spannung 230 -Strom 2 -Zeit 3600

.NOTES
    Name:        Get-ElektroGrundgroessen
    Author:      Andreas Bowitz
    Version:     0.1
    LastUpdated: 2026-Jun-03
#>
function Get-ElektroGrundgroessen {
    [CmdletBinding()]
    param(
        [double]$Spannung,   # U in Volt
        [double]$Strom,      # I in Ampere
        [double]$Zeit,       # t in Sekunden
        [double]$Ladung      # Q in Coulomb
    )

    # Elementarladung (Coulomb)
    $e = 1.602176634e-19

    $result = [ordered]@{}

    # Ladung aus Strom * Zeit  (Q = I * t)
    if ($Strom -and $Zeit -and -not $Ladung) {
        $Ladung = $Strom * $Zeit
    }
    # Strom aus Ladung / Zeit  (I = Q / t)
    elseif ($Ladung -and $Zeit -and -not $Strom) {
        $Strom = $Ladung / $Zeit
    }

    if ($Ladung)  { $result['Ladung Q (C)']          = [math]::Round($Ladung, 4) }
    if ($Strom)   { $result['Strom I (A)']           = [math]::Round($Strom, 4) }
    if ($Ladung)  { $result['Anzahl Elektronen n']   = "{0:E3}" -f ($Ladung / $e) }

    # Leistung  (P = U * I)
    if ($Spannung -and $Strom) {
        $leistung = $Spannung * $Strom
        $result['Leistung P (W)'] = [math]::Round($leistung, 3)

        # Arbeit  (W = P * t)
        if ($Zeit) {
            $arbeit = $leistung * $Zeit
            $result['Arbeit W (Ws)']  = [math]::Round($arbeit, 1)
            $result['Arbeit W (kWh)'] = [math]::Round($arbeit / 3.6e6, 4)
        }
    }

    [pscustomobject]$result
}

# Beispielaufruf: 230 V, 2 A, eine Stunde
Get-ElektroGrundgroessen -Spannung 230 -Strom 2 -Zeit 3600

Erwartete Ausgabe:

Ladung Q (C)         : 7200
Strom I (A)          : 2
Anzahl Elektronen n  : 4.494E+022
Leistung P (W)       : 460
Arbeit W (Ws)        : 1656000
Arbeit W (kWh)       : 0,46

460 W über eine Stunde sind also 0,46 kWh – das passt sauber zur Logik deiner Stromrechnung.

10. Faktencheck (IT-Agent-Review)

Damit hier nichts Halbgares stehen bleibt, zwei Punkte, die in vielen älteren Lehrunterlagen schlampig sind:

1. Definition des Ampere. Ältere Quellen definieren 1 A über die Kraft zwischen zwei parallelen Leitern: bei 1 m Abstand und 1 A wirkt je Meter eine Kraft von 2 · 10⁻⁷ N/m (nicht 2 · 10⁷ – das ist ein verbreiteter Tipp-/OCR-Fehler um 14 Zehnerpotenzen daneben). Seit der SI-Reform 2019 ist diese Krafdefinition überholt: Das Ampere wird heute über die fest definierte Elementarladung e = 1,602176634 · 10⁻¹⁹ C festgelegt. Fürs Grundverständnis bleibt I = Q / t aber völlig richtig.
2. Rechenwerte geprüft: F_G = 15 kg · 9,81 m/s² = 147 N · 1 C ≙ 6,242 · 10¹⁸ Elektronen · P = 230 V · 2 A = 460 W · 460 W · 1 h = 0,46 kWh .