Womit wir anfangen
Dieser Kurs setzt kein Elektronikwissen voraus. Wenn du weisst, was eine Variable ist, aber noch nie einen Widerstand in der Hand hattest, bist du genau richtig.
Wir fangen bei der Frage an, was in einem Draht eigentlich passiert, wenn eine LED leuchtet. Drei Begriffe kommen dabei ständig vor — Ladung, Strom und Spannung. Sie werden gern durcheinandergebracht, deshalb nehmen wir sie einzeln.
Ladung
In jedem Metall gibt es Elektronen, die sich frei zwischen den Atomen bewegen können. Jedes Elektron trägt eine winzige negative Ladung.
Ladung ist keine Bewegung. Sie ist einfach vorhanden — so wie eine Datei auf der Platte liegt, ob du sie gerade liest oder nicht. Gemessen wird sie in Coulomb (C). Diese Einheit brauchst du im Alltag nie direkt; sie steckt aber in der Definition des Stroms, und deshalb steht sie hier.
Strom ist Ladung in Bewegung
Strom ist die Antwort auf die Frage: wie viel Ladung kommt pro Sekunde an dieser Stelle vorbei?
Die Einheit ist das Ampere (A):
1 Ampere = 1 Coulomb pro Sekunde
Formelzeichen ist I (von französisch intensité). In der Mikrocontroller-Welt sind ganze Ampere viel — dort rechnet man in Milliampere (mA), also Tausendsteln davon. Eine LED leuchtet mit rund 10 mA, ein ESP32 zieht im Betrieb einige Dutzend bis wenige Hundert mA.
Wichtig: Strom fliesst durch ein Bauteil. Es ergibt keinen Sinn, vom „Strom an einem Punkt" zu sprechen, ohne zu sagen, durch welchen Leiter er fliesst.
Zwei Pfeilrichtungen, ein Vorgang
Hier stolpern fast alle einmal. Die Elektronen sind negativ geladen und bewegen sich vom Minuspol zum Pluspol. Die technische Stromrichtung wurde aber lange vorher festgelegt — als man noch nicht wusste, was sich da bewegt — und zeigt vom Pluspol zum Minuspol.
Beide beschreiben denselben Vorgang. In Schaltplänen und in diesem Kurs gilt immer die technische Stromrichtung: von Plus nach Minus.
Im Leiter driften die Elektronen nach rechts, zum Pluspol. Der Pfeil der technischen Stromrichtung darüber zeigt nach links. Das ist kein Widerspruch, sondern eine historische Festlegung, mit der alle leben.
Spannung ist ein Unterschied
Damit sich Ladung überhaupt bewegt, braucht es einen Antrieb. Dieser Antrieb heisst Spannung, Formelzeichen U, Einheit Volt (V).
Der entscheidende Punkt, und der wird am häufigsten übersehen:
Spannung ist immer der Unterschied zwischen zwei Punkten. Es gibt keine Spannung „an einem Punkt".
Wenn jemand sagt „an diesem Pin liegen 3.3 V", dann meint er gegenüber der Masse. Die Masse ist nur der Punkt, den man per Konvention auf 0 V setzt — so wie ein Nullpunkt in einem Koordinatensystem. Man könnte auch einen anderen wählen; alle Differenzen blieben gleich.
Das Wassermodell
Für den Anfang hilft ein Bild: ein geschlossener Rohrkreis mit einer Pumpe.
Eine Pumpe treibt links das Wasser im Uhrzeigersinn durch ein Rohr. Oben im Rohr sitzt eine Engstelle. Vor der Engstelle ist der Druck hoch, dahinter tief; über der Engstelle fällt Druck ab.
Die Zuordnung:
| Wasser | Elektrik |
|---|---|
| Pumpe | Spannungsquelle (Batterie, Netzteil, 3.3-V-Pin) |
| Druckunterschied | Spannung U |
| fliessendes Wasser | Strom I |
| Engstelle im Rohr | Widerstand R |
Das Modell macht drei Dinge sofort einleuchtend: Ohne Pumpe fliesst nichts. Bei einem Rohrbruch ist der Kreis unterbrochen und alles steht still. Und der Druckunterschied entsteht über der Engstelle, nicht an einer einzelnen Stelle.
Wo das Wassermodell aufhört
Analogien sind Werkzeug, nicht Wahrheit. Merke dir jetzt schon, wo dieses Bild kippt:
- Wasser läuft aus einem offenen Rohr heraus. Strom tut das nicht — er fliesst nur im geschlossenen Kreis.
- Die einzelnen Elektronen kriechen erschreckend langsam durch den Draht (Millimeter pro Sekunde). Was sich fast mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist der Anstoss, nicht das Elektron. Wie in einem vollen Rohr: vorne kommt sofort Wasser, obwohl es nicht dasselbe ist, das du hinten hineingedrückt hast.
- Ein Rohr kann leerlaufen, ein Draht nie — die Ladungsträger sind immer schon drin.
Die eine Frage, die dich vor Fehlern bewahrt
Wenn dir jemand eine Spannung nennt, frage: gegenüber was?
Diese Frage klärt später die Hälfte aller Missverständnisse — beim Spannungsteiler, beim Pull-up und erst recht, wenn zwei Geräte mit eigener Stromversorgung miteinander reden sollen.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Was bedeutet die Aussage „an diesem Pin liegen 3.3 V"?
2.In welche Richtung zeigt die technische Stromrichtung?