Seit dem Erscheinen des Arduino-Buchs (2. Auflage gibt es gerade neu) im letzten Jahr nutzen wir Strom nicht nur, wir experimentieren auch gern damit. Soeben haben wir auch das Experimentier-Buch „Make:Elektronik“ übersetzen lassen – es erscheint Ende Juli. Um auch Ihnen Appetit auf Löten, Schaltkreise und LEDs zu machen, schauen wir uns heute zunächst an, was sich genau hinter den Begriffen wie Strom oder Spannung verbirgt.

Fangen wir mit den Basics an: Strom kommt aus der Steckdose, sagt man. Aber ist das wirklich so? Damit Strom fließen kann, benötigt man Spannung. Sie entsteht, wenn auf einer Seite positiv geladene Ionen und auf der anderen Seite negativ geladene Ionen sind. Daraus ergeben sich Plus- bzw. Minuspol. Der Unterschied in der Elektronenbesetzung, auch Potentialdifferenz genannt, wird als Spannung (U) bezeichnet. Sie wird in Volt gemessen.

Was ist dann Strom?

Als Strom bezeichnet man nichts anderes als die Wanderung der Elektronen, um diese Potentialdifferenz auszugleichen (Elektronenstrom). Voraussetzung ist ein leitender Werkstoff wie es beispielsweise Metalle sind. Um zu verstehen, wie Strom fließen kann, schaut man sich am besten den Aufbau eines Atoms an, hier beispielhaft Lithium:
Der Atomkern ist positiv, die Elektronen auf den umgebenden Schalen negativ geladen. Positive und negative Ladung ziehen sich an, so wird das Atom „zusammengehalten“. Das Elektron auf der äußeren Schale eines Atoms ist am weitesten vom Kern entfernt, die Anziehung zum Atomkern ist am geringsten. Dieses negativ geladene, so genannte Valenzelektron kann sich daher ablösen und wandern, wenn es zu einer Spannung kommt. So entsteht der Elektronenfluss (immer vom Minus- zum Pluspol) und damit elektrischer Strom (I). Er wird in Ampere gemessen.

Wenn wir also eine Taschenlampe einschalten oder unseren Computer in die Steckdose stecken, legen wir Spannung an und initiieren eine Elektronenwanderung. Wie gut der Strom fließen kann, hängt natürlich von der Leitfähigkeit des Werkstoffs ab – man unterscheidet Leiter (z.B. Kupfer), Nichtleiter (z.B. Kunststoffe) und Halbleiter (z.B. Silizium). Leiter verfügen über freie Elektronen, Nichtleiter verfügen über keine freien Elektronen. Bei Halbleitern müssen die Elektronen durch äußere Einflüsse wie beispielsweise Wärme freigesetzt werden, erst dann leitet der Werkstoff. Jeder Werkstoff verfügt über einen spezifischen Widerstand (R), der Aufschluss über die Leitfähigkeit gibt.

Aus der Steckdose erhalten wir also Spannung (üblicherweise 220 Volt). In Rechnung stellt uns der Energieversorger die aufgewendete Arbeit, um diese Spannung zu erzeugen. Die elektrische Arbeit W wird in Kilowattstunden berechnet, man kann sie auch in Wattsekunden oder Joule darstellen. Und um unsere Eingangsfrage zu beantworten: Watt ist die Einheit der elektrischen Leistung P – dem Produkt aus Spannung und Strom.

Kommen wir zum Widerstand R, der in Ohm (Ω) gemessen wird. Die Wechselwirkungen von Stromstärke, Spannung und Widerstand sind im Ohmschen Gesetz zusammengefasst:

Stehen Stromstärke und Spannung fest, kann der Widerstand über das Ohmsche Gesetz errechnet werden. Widerstände sind dabei nicht nur diese kleinen, bunten Drähte, die man von Platinen kennt. Jeder Teil eines Stromkreises, zum Beispiel auch die blinkende LED ist ein Widerstand.

Ein einfacher Stromkreis sieht so aus:

Wichtig: Strom kann nur fließen, wenn der Stromkreis geschlossen ist.

Alles graue Theorie? Im nächsten Beitrag erfahren Sie, welche Ausrüstung Sie für Ihre Experimente zuhause benötigen!