Strom verstehen: Spannung, Stromstärke, Leistung

Das Wassermodell – und wo es hinkt

Strom kann man weder sehen noch hören. Deshalb arbeitet der Physikunterricht gern mit einem Bild, dem Wassermodell: Eine Pumpe fördert Wasser vom unteren in ein oberes Becken. Je größer der Höhenunterschied zwischen den Wasserständen, desto kräftiger fließt das Wasser zurück und treibt dabei ein Wasserrad an.

Übertragen auf den Stromkreis ist die Batterie die Pumpe, der Höhenunterschied die Spannung und der Wasserstrom die Stromstärke. LEIFIphysik, das Physikportal des FWU, nennt die Spannung deshalb auch einen „elektrischen Höhenunterschied“. Ein Detail ist wichtig: Der Höhenunterschied besteht auch dann, wenn gerade kein Wasser fließt. Genauso liegt an einer Batterie Spannung an, auch wenn kein Gerät angeschlossen ist.

Das Bild hinkt an einer Stelle, die für die Vorsorge zählt. Es legt nahe, dass der Strom selbst unterwegs aufgebraucht wird. Was ein Gerät tatsächlich umsetzt, ist Energie: Die Quelle stellt sie bereit, das Gerät wandelt sie in Licht, Wärme oder Bewegung um. Und kein Wassermodell zeigt, warum eine Spannung gefährlich werden kann. Das Bild hilft beim Verstehen, ersetzt aber keine Rechnung und keine Sicherheitsregel.

Spannung, Stromstärke, Widerstand: das ohmsche Gesetz

Drei Größen hängen im Stromkreis zusammen. Die Spannung U in Volt ist der Antrieb. Die Stromstärke I in Ampere beschreibt, wie viel fließt. Der Widerstand R in Ohm beschreibt, wie sehr ein Leiter den Strom bremst – im Wassermodell wäre das ein enges Rohr.

Den Zusammenhang beschreibt das ohmsche Gesetz: U = R · I. Umgestellt heißt das: Stromstärke = Spannung ÷ Widerstand. Bei gleichem Widerstand bedeutet doppelte Spannung doppelten Strom, bei gleicher Spannung bedeutet doppelter Widerstand halben Strom. Ein eigenes Rechenbeispiel: Liegen 12 Volt an einem Widerstand von 6 Ohm, fließen 2 Ampere.

LEIFIphysik weist darauf hin, dass diese Proportionalität nur in Grenzen gilt – vor allem für Metalle bei gleichbleibender Temperatur. Der Glühfaden einer Glühlampe etwa folgt dem Gesetz nicht, weil er je nach Strom unterschiedlich heiß wird. Als Denkwerkzeug trägt das Gesetz trotzdem weit, und weiter unten erklärt es, warum niedrige Spannungen sicherer sind.

Leistung und Energie: Watt und Wattstunden

Die Leistung sagt, wie viel Energie ein Gerät in diesem Moment umsetzt. Sie wird in Watt gemessen und lässt sich einfach berechnen: Leistung = Spannung × Stromstärke, kurz P = U · I. Ein eigenes Beispiel: Ein Gerät, das an 12 Volt 2 Ampere zieht, nimmt 24 Watt auf.

Die Energie ist die Leistung über eine Zeitspanne: Energie = Leistung × Zeit. Rechnest du die Zeit in Stunden, kommt die Energie in Wattstunden heraus. Dasselbe Gerät mit 24 Watt setzt in drei Stunden 72 Wattstunden um. Die Stromrechnung zählt in Kilowattstunden; eine Kilowattstunde sind 1.000 Wattstunden.

Der Unterschied zwischen Watt und Wattstunden ist der zwischen Tempo und Strecke. Die Leistung entscheidet, ob eine Quelle ein Gerät überhaupt versorgen kann, die Energie, wie lange. Wie sich das bei Powerstations auswirkt, steht im Artikel „Powerstation und Solar“.

Was auf dem Akku steht: mAh, Ah und Wattstunden

Auf Akkus steht oft keine Energie, sondern eine Ladung: Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh); 1.000 mAh sind 1 Ah. Die Ladung allein sagt nicht, wie viel Energie im Akku steckt. Erst mit der Nennspannung wird daraus eine Energiemenge: Energie = Spannung × Ladung, in der Praxis Volt × Amperestunden = Wattstunden.

Daraus folgt eine wichtige Regel: mAh-Angaben lassen sich nur bei gleicher Spannung vergleichen. Ein eigenes Rechenbeispiel: Ein Akkupack mit 12 Volt und 2.000 mAh enthält 2 Ah × 12 V = 24 Wh. Ein Akku mit derselben mAh-Zahl, aber nur 6 Volt enthält halb so viel, nämlich 12 Wh.

Die Laufzeit ergibt sich, wenn du den Vorrat durch den Bedarf teilst: Laufzeit in Stunden = Wattstunden ÷ Watt. Die 24 Wh aus dem Beispiel reichen rechnerisch für ein Gerät mit 6 Watt vier Stunden, für eines mit 24 Watt eine Stunde. Das ist die Obergrenze, denn Wandlung, Kälte und Alterung kosten Energie. Mit welchem Anteil du planen solltest und wie die Umrechnung bei Powerbanks aussieht, steht in „Licht und Strom für Notfälle“.

• Spannung und Kapazität vom Akku ablesen, mAh durch 1.000 teilen.
• Amperestunden mit der Spannung malnehmen: Ah × V = Wh.
• Leistung des Geräts vom Typenschild ablesen oder messen.
• Wattstunden durch Watt teilen – und vom Ergebnis einen Abschlag einplanen.

Gleichstrom und Wechselstrom

Bei Gleichstrom fließt der Strom stets in dieselbe Richtung, Plus- und Minuspol bleiben, was sie sind. So arbeiten Batterien und Akkus. Aus der Steckdose kommt dagegen Wechselstrom: Die Pole tauschen dort fortlaufend die Rollen, viele Male in jeder Sekunde, und der Strom kehrt entsprechend seine Richtung um. Im europäischen Haushaltsnetz beträgt die Spannung 230 Volt.

Zwischen beiden Welten vermitteln Geräte. Ein Ladegerät macht aus dem Wechselstrom der Steckdose Gleichstrom für den Akku, der Wechselrichter einer Powerstation macht aus dem Gleichstrom ihres Akkus wieder 230 Volt Wechselstrom. Jede dieser Wandlungen kostet etwas Energie – ein Grund, Kleingeräte direkt über die Gleichstromausgänge zu laden.

Für die Sicherheit ist die Stromart nicht gleichgültig. Die Grenzwerte für eine noch vertretbare Berührungsspannung liegen bei Wechselspannung deutlich niedriger als bei Gleichspannung. Dazu gleich mehr.

Batterien in Reihe und parallel – nur das Prinzip

Schaltest du Zellen hintereinander, also Plus an Minus, addieren sich ihre Spannungen. Vier Monozellen mit je 1,5 Volt ergeben so 6 Volt; viele Fernbedienungen arbeiten mit zwei Zellen und 3 Volt. Deshalb ist im Batteriefach die Polung eingezeichnet.

Schaltest du Zellen parallel, bleibt die Spannung die einer einzelnen Zelle. LEIFIphysik nennt dafür zwei Vorteile: Ein Gerät lässt sich länger betreiben, weil jede Zelle nur einen Teil des Stroms liefert, und die Anordnung kann einen größeren Strom liefern als eine einzelne Zelle.

Das ist hier bewusst nur das Prinzip und keine Bauanleitung. Wer größere Akkus zusammenschalten will, hält sich an die Vorgaben des Herstellers.

Warum Kleinspannung sicherer ist – und 230 Volt nicht

Die Gefährdung durch elektrischen Strom hängt von der Stärke und Dauer des Stromflusses durch den Körper ab. Hier hilft das ohmsche Gesetz: Der Körper hat einen Widerstand, und bei gleichem Widerstand treibt eine niedrigere Spannung einen kleineren Strom durch ihn. Die Spannung entscheidet also, wie groß der Körperstrom überhaupt werden kann.

Für die Praxis gibt es Grenzwerte. Eine zeitlich unbegrenzte Berührungsspannung von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung soll bei gesunden Erwachsenen nicht überschritten werden, weil sonst eine lebensbedrohliche Situation eintreten kann. Für Kinder und Nutztiere liegen die Werte bei 25 Volt Wechsel- und 60 Volt Gleichspannung. So fasst es das EMF-Portal der RWTH Aachen mit Verweis auf die einschlägigen DIN-VDE-Normen zusammen. Eine Monozelle mit 1,5 Volt und eine Autobatterie mit 12 Volt liegen weit darunter, die 230 Volt der Steckdose weit darüber.

Zwei Einschränkungen gehören dazu. Erstens schützt die niedrige Spannung vor einem gefährlichen Körperstrom, nicht vor dem Kurzschluss – der bringt auch bei 12 Volt Metall zum Glühen und kann Brände und Explosionen auslösen. Zweitens heißt Akku nicht automatisch Kleinspannung: Die Batterien von Elektro- und Hybridautos arbeiten nach Angaben der VBG mit 400 oder 1.000 Volt, Arbeiten daran verlangen eine spezielle Ausbildung. Auch die 230-Volt-Steckdose einer Powerstation liefert eine Spannung weit über den Grenzwerten.

Warum dieses Wissen ohne Nachschub trägt

Geräte gehen kaputt, Akkus altern, Anleitungen verschwinden. Was bleibt, sind vier Beziehungen, die auf einen Zettel passen: U = R · I, P = U · I, Energie = Leistung × Zeit und Volt × Amperestunden = Wattstunden. Mit ihnen lässt sich jedes Typenschild lesen, jeder gefundene Akku einschätzen und jede Laufzeit überschlagen – ohne App und ohne Internet.

Dazu kommt eine Grenze, die sich nicht verschiebt. Kleinspannung ist das Feld, auf dem man mit Respekt vor dem Kurzschluss selbst rechnen, messen und lernen kann. Netzspannung und Hausinstallation bleiben Sache von Fachleuten – gerade dann, wenn Hilfe nicht schnell kommt.

Schreib dir die Formeln und die Werte deiner wichtigsten Geräte auf und leg den Zettel zu deinem Stromvorrat. Wer einmal selbst ausgerechnet hat, wie lange ein Akku ein Licht betreibt, braucht dafür keine fremde Tabelle mehr.