Handreichung für Lehrkräfte

Elektrische Energie & Strom

Verkabelte Glühbirne steckt eigenen Stecker in Steckdose

Begriffsklärung

Die Energieform, die wir im Alltag aus der Steckdose nutzen: Elektrische Energie kann in Geräten leicht in Licht, Wärme, Bewegung oder Schall umgewandelt werden.

Strom ist die gerichtete Bewegung winziger Teilchen (Elektronen) durch einen Leiter. Damit Strom fließen kann, braucht es einen geschlossenen Stromkreis.
Quelle → Leitungen → elektrische Verbraucher → zurück zur Quelle

Reihenschaltung mit Batterie, Schalter und Glühlampe in einem geschlossenen Stromkreis.

Zefry_Novizar/Shutterstock

Ohm’sches Gesetz und Leistung

Bei vielen Leitern gilt: U = R · I.
Bedeutung: Höhere Spannung (U) treibt stärkeren Strom (I), ein größerer Widerstand (R) bremst den Strom.

Leistung elektrischer Geräte: P = U · I.
Bedeutung: Leistung (Watt) hängt davon ab, wie groß Spannung und Stromstärke sind.

Die elektrische Spannung ist wie ein „Antrieb“: Sie wirkt auf geladene Teilchen (Ladungsträger) und setzt sie dadurch in eine gerichtete Bewegung.

Elektrische Verbraucher wie Lampen, Heizgeräte oder Motoren besitzen einen Widerstand: Dieser funktioniert wie eine „Strombremse“. Als Eigenschaft von Materialien und als Bauteil in Schaltungen begrenzt er den Stromfluss. Dabei wird elektrische Energie oft in Wärme, Licht oder Bewegung umgewandelt. Ohne diese Begrenzung würde es schnell zu Überhitzung kommen.

Nein. Elektrischer Strom bezeichnet den Transport von elektrischer Energie – wie ein Fluss, der Wasser bewegt, aber nicht selbst „das Wasser“ ist.
Für den Alltag sind zwei Größen wichtig:

Leistung (Watt, W): wie schnell Energie umgesetzt wird.

Energie (Joule, J / Kilowattstunde, kWh): wie viel insgesamt umgesetzt wird. 1 kWh = 3,6 MJ.

Strom ist ein gerichteter Ladungsfluss. Er fließt, wenn eine Spannungsquelle Ladungen antreibt. Diese Spannung entsteht durch Energieumwandlung. In Kraftwerken passiert das meist über einen Generator (z. B. Brennstoff → Wärme → Bewegung → elektrisch), der Wechselstrom erzeugt, also einen Stromfluss mit periodisch wechselnder Richtung (Netzfrequenz in Europa: 50 Hz). Bei Photovoltaik und Batterien entsteht die Spannung direkt durch Licht bzw. eine chemische Reaktion – ohne Turbine und Generator. Dort wird Gleichstrom erzeugt, also ein Stromfluss in nur eine Richtung.

Ein Beispiel: Wenn du Fahrrad fährst, dreht sich das Rad. Im Nabendynamo bewegt sich dabei ein Magnet an einer Spule vorbei. Dadurch entsteht Spannung. Schließt du den Stromkreis (Lampe an), fließt Strom und das Licht geht an.

Schema: Leitungsführung am Fahrrad und Schaltplan der Lichtanlage — Über Kabel verbindet der Stromkreis den Dynamo mit Vorder- und Rücklicht.

Stromkreis im Alltag

Material: Batterie, Lämpchen, 2 – 3 Kabel, Schalter (oder Büroklammer).
Auftrag: Bau einen Stromkreis, mit dem du die Lampe an- und ausschalten kannst.
Beobachtung: Die Lampe leuchtet nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist.
Frage: Wo ist die Unterbrechung, wenn die Lampe nicht leuchtet?

Reihen- und Parallelschaltung – warum zu Hause (fast) alles parallel läuft

Reihenschaltung: Elektrische Verbraucher liegen hintereinander im selben Stromweg. Wenn ein Verbraucher ausfällt oder ausgeschaltet wird, ist der Stromkreis unterbrochen und alle Geräte gehen aus.
Parallelschaltung: Jeder elektrische Verbraucher hat seinen eigenen Stromweg zwischen denselben zwei Punkten. Fällt ein Gerät aus, funktionieren die anderen weiter.
Haushaltslogik: Lampen und Steckdosen sind zu Hause parallelgeschaltet, damit Geräte unabhängig voneinander funktionieren.

Reihe heißt: einer aus → alle aus. Parallel heißt: einer aus → die anderen bleiben an.

Messen im Stromkreis: Stromstärke & Spannung

Stromstärke I (Einheit: Ampere, A) gibt an, wie viel elektrische Ladung Q pro Sekunde durch einen Leiter fließt.
Formel: $I = \frac{Q}{t}$ (1 A = 1 C/s).
Messgerät: Amperemeter.
Wichtig: Das Amperemeter wird in Reihe geschaltet (es muss „mitfließen“).

Spannung U (Volt, V):
Der „Antrieb“, der Ladungen in Bewegung setzt.
Formel: $U = \frac{W}{Q}$ (Energie/Arbeit pro Ladung).
Messgerät: Voltmeter.
Wichtig: Das Voltmeter wird parallelgeschaltet (es misst den Unterschied zwischen zwei Punkten).

Sicherheit im Haushalt: Kurzschluss, Sicherung & Fehlerstromschutzschalter (FI)

Beim Kurzschluss ist der Widerstand sehr klein, dadurch wird die Stromstärke I = U/R sehr groß → Leitungen werden heiß → Brandgefahr.

Die Sicherung unterbricht den Stromkreis, wenn die Stromstärke zu groß wird (Überlast/Kurzschluss).
FI-Schalter: schaltet ab, wenn Strom „falsch abfließt“ (z. B. über den Körper) – besonders wichtig in Bad/Küche, also Räumen mit potenziell erhöhter Feuchtigkeit.
Warum „nasse Hände“ gefährlich sind: Wasser senkt den Hautwiderstand – Strom kann leichter durch den Körper fließen.

Stromnetz & Flexibilität

Wie kommt der Strom zur Steckdose? (Netzebenen)

Über weite Strecken wird Strom mit hoher Spannung übertragen, damit Übertragungsverluste minimiert werden – also weniger Energie in Wärme umgewandelt wird. In Umspannwerken wird die Spannung mittels Transformatoren stufenweise angepasst, bis sie zum Hausnetz passt.

Das Hausnetz ist das elektrische Stromnetz im Gebäude: also die Leitungen und Stromkreise ab dem Hausanschluss/Verteilerkasten bis zu Steckdosen, Lampen und Geräten.

Warum braucht das Netz Flexibilität?

Damit die Stromversorgung stabil bleibt, müssen Erzeugung und Verbrauch jederzeit zusammenpassen. Weil nicht nur der Verbrauch, sondern auch die zunehmende erneuerbare Stromerzeugung aus Wind und Sonne schwankt, braucht das Stromnetz Ausgleich.

50 Hertz = Standard-Netzfrequenz

Im Stromnetz müssen Erzeugung und Verbrauch im Gleichgewicht sein. Wenn zu viel oder zu wenig Leistung eingespeist wird, gerät die Frequenz aus dem Sollbereich, aus dem Takt von 50 Hz, deshalb braucht das Netz ständig Ausgleich und Regelung.

Dabei gilt die Frequenz als zentraler Leitparameter zur Beurteilung der Stromqualität und der Netzstabilität.

Vier Wege zum Ausgleich im Stromnetz

Regeln: Netzbetreiber weisen Kraftwerke/Anlagen an, hoch- oder herunterzufahren (Redispatch).

Speichern: Strom wird „für später“ gespeichert, kurzfristig z. B. in Batterien oder Pumpspeichern, langfristig bzw. saisonal über chemische Speicher wie Wasserstoff.

Verschieben: Verbrauch wird in Zeiten mit viel Stromerzeugung gelegt (Lastverschiebung).

Transportieren/Verteilen: Strom wird über die Netze dorthin geleitet, wo er gebraucht wird (Beseitigung von Engpässen).

Vier Transformatoren mit unterschiedlichen Windungsverhältnissen sollen jeweils eine bestimmte Spannungsänderung erzeugen. Die Eingangswechselspannung ist links, die Ausgangswechselspannung rechts.
Wähle für jeden Transformator das Windungsverhältnis aus, das für die Umwandlung benötigt wird.

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