Ein Energie-Monitoring-System in dem der Antriebsakku die Hauptrolle spielt ist, sind Kenntnisse wie sich Elektronen in einem Stromfluss verhalten sehr hilfreich. Wir werden sehen welche Rolle Spannung, Strom und Widerstand haben.

Chemische Verbindungen zwischen zwei Stoffen bestehen aus mindestens zwei oder mehr Atomen. Verbindungen kommen zustande, da jedes Atom bestrebt ist, eine sogenannte Edelgaskonfiguration zu erreichen: Zwei Atome gehen eine Verbindung ein, in dem sie jeweils ein Elektron aus der äußersten Hülle abgeben und ein Elektronenpaar bilden. Diese äußeren Elektronen werden Valenzelektronen genannt. Beide Atome versuchen in ihrer äußeren Schicht insgesamt acht Valenzelektronen zu haben.

Der Raum, den zwei Valenzelektronen bilden, nennt man Orbitale. Durch die Orbitale verbinden sich Atome zu Molekülen. Mit dem Elektron aus dem anderen Atom sind die jeweiligen Atome an ihren äußeren Hüllen vollbesetzt. Energetisch ist das für die Atome günstiger, als wenn sie alleine blieben.

Atome sind so winzig, dass kein Mensch je eines gesehen hat. Ein Atom hat die unvorstellbar kleinen Ausmaße von 0,1 Nanometern. Das sind 0,0000000001 Metern. Selbst mit fortschrittlichster Technologie können optische Mikroskope keinen Einblick in das Atominnere ermöglichen. Das liegt daran, dass wir Menschen für die Sehwahrnehmung Licht benötigen. Ein optischer Zoom auf Lichtbasis, also das Betrachten eines Atoms mit dem „bloßen“ Auge ist nicht möglich. Das liegt an der Eigenschaft des Lichtes, das nur eine maximale Auflösung von ca. 380 Nanometern ermöglicht. Mehr ist nicht drin.

Das ist aber 3800-mal zu groß (380/0,1). Aber es gibt Technologien wie z.B. die Rasterkraftmikroskopie, eine sehr hochauflösende Art, mit einer Auflösung, die mehr als 1000-mal besser als herkömmliche optische Messungen ist. Trotz dieser immensen Auflösung haben wir mit den heutigen technischen Möglichkeiten immer noch kein Einblick in den Atomkern mit seinen Elektronen, Protonen und Neutronen. Der Blick geht nur bis zu den äußeren Bereichen der Elektronenhülle.

Was ist elektrischer Strom?

Elektrischer Strom fließt durch einen Metalldraht. Es stellen sich zwei Fragen: Was fließt? Und wie soll etwas durch massives Metall hindurch fließen?

Ein sehr guter Stromleiter ist Kupfer. Zoomt man stark in das Kupfer rein, wird ersichtlich, dass das Metall gar nicht so massiv und undurchdringlich ist. Die Metallatome sind sogar so weit voneinander entfernt, dass sich die viel kleineren Elektronen ungehindert fortbewegen können. So ungehindert, dass sich Elektronen mit einer mittleren Geschwindigkeit von ca. 1500km pro Stunde bewegen können. Es handelt sich bei den frei beweglichen Elektronen um die bereits besprochenen Valenzelektronen. Demnach können wir von einem elektrischen Strom reden, wenn sich Elektronen innerhalb eines Leiters in eine bestimmte Richtung bewegen.

Doch wie kommen Elektronen in Bewegung? Bedienen wir uns hier der Wassermetapher, um dies bildhaft zu erklären. Stell dir vor, von einem Wassertank geht eine Leitung weg. Das Wasser am Ende der Leitung fließt, da es dem Druckgefälle nachgibt.

So ähnlich baut sich ein Druckgefälle in einer elektrischen Leitung auf: Auf der einen Seite der Leitung baut sich ein Elektronenüberschuss auf, der sich elektrisch negativ auswirkt. Und auf der anderen Seite herrscht Elektronenmangel, der sich positiv auswirkt. Die dabei entstehende Druckdifferenz wird Potenzialunterschied genannt. Die Größe des Potenzialunterschieds zwischen den beiden Polen wird Spannung genannt. Die elektrische Spannung wird in Volt (kurz V) gemessen.

Wie du bereits von Magneten weißt, stoßen sich gleiche Pole ab. Und da Elektronen alle die gleiche negative Ladung haben, stoßen sie sich gegenseitig ab. Sie fließen von einem Ende (Elektronenüberschuss) der Leitung in das andere (Elektronenmangel).

Dabei bewegen sich die Elektronen ziemlich langsam durch den Leiter hindurch, relativ gesehen sogar sehr langsam. In einem Kupferkabel mit einem Querschnitt von 1 Quadratmillimeter und einem Strom von 1 Ampere legen Elektronen in 30min gerade einmal 13,25 cm zurück. Wie kommt es dann, dass z.B. eine entfernte Lampe sofort angeht, wenn der Schalter umgelegt wird? Das liegt an dem weitergeleitetem Potenzialunterschied. Dieser bewegt sich tatsächlich mit fast Lichtgeschwindigkeit. Man kann sich das so vorstellen: Ein Stein wird in einen See geworfen. Eine Druckwelle wird ausgelöst und bewegt sich schnell über die Wasseroberfläche. Die Wassermoleküle bewegen sich zwar auch etwas, aber geben die Energie an die nächsten Moleküle weiter. Die Druckwelle bewegt sich um einiges schneller als das einzelne Wassermolekül. Im Prinzip gilt das gleiche für den elektrischen Strom.

Was ist der Unterschied zwischen Strom und Spannung?

Doch was ist eigentlich Strom? Die kurze Antwort lautet: I = Q/t.

Der elektrische Strom (I) ist so definiert, dass die geflossene Ladung Q (= Anzahl der Elektronen) in einer bestimmten Zeit (t) gezählt wird. Mit anderen Worten, es wird an einer Stelle des Drahtes gezählt, wie viele Elektronen in einer bestimmten Zeitspanne durchfließen. Je mehr Elektronen durchrauschen, desto größer ist der Strom. Die Einheit des Stroms wird in Ampere (kurz A) gemessen.

Übertragen auf unser Wasservergleich wäre der Strom die Anzahl an Litern, die von einem Wassertank durch eine bestimmte Stelle im Wasserrohr durchfließt.

Den Strom hätten wir damit geklärt.  Was hat es nun mit der elektrischen Spannung auf sich? Die Spannung ist die elektrische Kraft, die die Elektronen von einem zum anderen Ort anschiebt. Die Spannung wird in der Physik mit U abgekürzt. Die Einheit lautet Volt (kurz V). Je höher die Spannung, um so mehr Elektronen fließen durch den Leiter.

In unserem Wassermodel können wir die Spannung mit der Lage des Wassertank gleichsetzen. Je höher der Wassertank gelagert ist, um so höher ist seine gespeicherte kinetische Energie. Das Wasser fließt durch die Wasserleitung mit einem höheren Druck – obwohl es die gleiche Menge an Wasser ist. Wir können das gleiche Prinzip bei einem fallenden Stein beobachten. Je höher der Fallweg ist, um so schneller beschleunigt er und gewinnt an Durchschlagskraft.

Elektrischer Widerstand R

Widerstände sind Komponenten, die aus der Elektronik nicht wegzudenken sind. Diese haben großen Einfluss auf Strom und Spannung. Neben den klassischen Widerständen hat jedes Bauteil einen eigenen Widerstandswert - selbst Kupferdraht besitzt einen gewissen Widerstand. Der elektrische Widerstand wird auch als ohmscher Widerstand bezeichnet.

Du hast bereits gelesen, dass freie Elektronen durch einen Leiter durchfließen. Auch wenn die Zwischenräume der Atomen im Vergleich zu den Elektronen rießig ist, stoßen diese gegen einander und werden in ihrer Bewegung gestört. Dieser Effekt begrenzt je nach Beschaffenheit des Leiters den Stromfluss.

Der Zusammenstoß der Elektronen mit den Atomen hat zusätzlich noch einen thermischen Effekt. Die betroffene Komponente kann warm oder sogar heiß werden. Ist die Anzahl der Ladungsträger und damit der elektrische Strom zu groß, kann das Bauteil tatsächlich schaden davon tragen.

Der elektrische Widerstand wird in Ohm gemessen. Es wird oft der griechische Buchstabe „Ω“ verwendet, der für Omega steht. Große Widerstände werden in Kiloohm (kΩ) oder Megaohm (MΩ) angegeben. Sehr kleine Widerstände liegen im Bereich von Milliohm (mΩ).

1000000 Ω = 1 MΩ (Megaohm)

100000 Ω = 100 kΩ (Kiloohm)

10000 Ω = 10 kΩ (Kiloohm)

1000 Ω = 1 kΩ (Kiloohm)

100 Ω (Ohm)

10 Ω (Ohm)

1 Ω (Ohm)

0,1 Ω = 100 mΩ (Milliohm)