Unsere Lebenswelt ist eine Welt der Elektrizität und der technischen Erfindungen, die den elektrischen Strom auf vielfältige Weise nutzen. Elektrizität ist somit der Motor dieser technisierten Welt und deren Gesetzmäßigkeiten sind die Regeln, nach denen sie funktioniert. Ob Smartphone oder Laptop, ob Mikrowelle oder Staubsauger, ob LED oder Spielekonsole, ob Akku oder USB-Stick, sie funktionieren nur mit elektrischem Strom und beruhen darauf, dass der Mensch sich eine natürliche vorkommende Energieform technisch nutzbar gemacht hat.

In der Menschheitsgeschichte sind Phänomene wie die elektrischen Entladungen des Zitteraals oder Zitterrochens nachweißlich seit 2750 v. Chr. im alten Ägypten bekannt. Dem griechischen Naturphilosophen Thales von Milet (600 v. Chr.) werden die Erkenntnisse zugesprochen, die im Zusammenhang mit den elektrischen Aufladungen und Effekten des Bernsteins (griechisch: Elektron) stehen. Blitze und Gewitter sind früher wie heute für jeden Menschen der beindruckende Nachweis einer riesigen natürlichen, in früheren Jahren der Menschheitsgeschichte eher übernatürlichen Kraftquelle.

Auch wenn es mit der sogenannten Bagdad-Batterie schon frühe mögliche Nachweise einer menschlichen Nutzung der Elektrizität gegeben hat, beginnt mit der Neuzeit im 16. Jhd. eine nachzuvollziehende Entwicklung technischer Erfindungen auf Basis der Elektrostatik und Elektrodynamik.

Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft atomarer Teilchen (z.B.: negative Elektronen, positive Protonen). Die Bezeichnung positiv bzw. negativ ist eigentlich willkürlich. Wichtig ist, dass sich gleiche elektrische Ladungen abstoßen und sich ungleiche Ladungen anziehen. Ladungen können in Körpern ruhen und ungleich verteilt sein. (ugs.: ein aufgeblasener Luftballon ist, wenn man ihn an den Haaren reibt, elektrisch geladen.)

Wenn sich statische Ladungen ausgleichen, spüren und sehen wir das im Alltag, als kleinen „Stromschlag“ beim Anfassen einer Autotür oder einer Türklinke oder als Blitz bei einem Gewitter. Die Elektronen bewegen sich vom Ort mit Elektronenüberschuss (auch -Pol) zu dem Ort mit Elektronenmangel (auch +Pol). Der Unterschied (Potentialdifferenz) zwischen zwei definierten Orten unterschiedlicher Ladung ist die elektrische Spannung und wird üblicherweise in der Einheit Volt gemessen.

Die Gesetzmäßigkeiten statischer also unbewegter elektrischer Ladungen werden in der Elektrostatik erforscht und beschrieben.

Der elektrische Strom beschreibt eine Bewegung von elektrischen Ladungsträgern (Elektronen) innerhalb einer bestimmten Zeit. Dies ist als Stromstärke festgelegt und wird in der Einheit Ampere gemessen (1 A entspricht 625 *10¹⁶ Elektronen in einer Sekunde). Sobald also bei einem Spannungsunterschied Elektrizität fließt und sich so Elektronen bewegen, spricht man im engeren Sinne von elektrischem Strom. Er erzeugt wiederum elektromagnetische Kräfte, die Grundlage für viele technische Erfindungen sind. Deren Gesetzmäßigkeiten sind im Wissenschaftsbereich der Elektrodynamik erforscht und beschrieben. (Anwendungsbereiche: Elektromotor, Dynamo, Stromerzeugung mit Turbinen, …)

Es gibt zwei wesentliche Unterscheidungsarten von elektrischem Strom - Gleichstrom und Wechselstrom.

Gleichstrom kennen wir aus Batterien und Akkus in elektronischen Kleingeräten. Hier bewegt sich der elektrische Strom kontinuierlich in eine Richtung. Außerhalb der Spannungsquelle vom -Pol zum +Pol, innerhalb der Spannungsquelle vom +Pol zum -Pol. Der Spannungsunterschied wird hervorgerufen durch ein System chemischer Reaktionen. Bei Batterien ist dieses chemische Reaktionssystem nicht umkehrbar und sie sind, wenn sie keine elektrische Spannung mehr hervorbringen „leer“. Bei Akkus ist das Reaktionssystem durch die Zuführung von Elektrizität umkehrbar. Man sagt auch, chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und umgekehrt.

Wechselstrom entsteht bei allen Stromerzeugungsarten, die mit Turbinen Strom erzeugen. (z.B.: Kohlekraftwerke, Atomkraftwerke, Windparks, Wasserkraftwerke, …) Hier wechselt die Stromrichtung kontinuierlich. In den meisten Teilen Europas beträgt die Frequenz des Wechsels 50 Hertz. Das heißt der Strom macht 50 Hin- und Her-Bewegungen und wechselt also 100mal pro Sekunde die Richtung. Es hat viel technische Vorteile, den Energietransport vom Kraftwerk zum Endverbraucher über Wechselstrom umzusetzen.

Die Voraussetzung für das Fließen eines Stromkreises ist eine ausreichende Spannung. Am Beispiel einer einfachen Mignon-Batterie liegt dies im Bereich von 1,5 V. Sobald die beiden Pole einer Batterie über ein leitendes Material miteinander verbunden sind, können die Elektronen fließen. Es liegt ein geschlossener Stromkreis vor. Bei einer Unterbrechung dieser Verbindung z.B. durch einen Schalter spricht man von einem offenen Stromkreis. Die Elektronen bewegen sich solange, wie die chemische Reaktion innerhalb der Batterie die Spannung aufrecht halten kann. Wenn die Elektronen ungehindert fließen können, dann redet man von einem Kurzschluss. Dabei bewegen sich sehr viel Elektronen in kurzer Zeit vom -Pol zum +Pol und führen zu einer Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Hier ist eine häufige Ursache für Brände im Zusammenhang mit elektrischem Strom zu sehen.

In der Elektronik versucht man die Bewegung von Elektronen technisch nutzbar zu steuern (Elektronik = Elektron + Technik) und die elektrische Energie kontrolliert in andere Energieformen zu verwandeln.

Eine der ersten industriellen Nutzung von Elektrizität ist die Umwandlung in Licht. Dieses geschieht vom Ende des 19.Jahrhundert bis in die 90er Jahre des 20. Jahrhunderts durch Glühbirnen. Die Glühbirne bringt die Elektronen durch ihre Bauart dazu, sich durch einen sehr dünnen Glühdraht aus Wolfram zu bewegen, der die Engstelle im Stromkreis darstellt. Man sagt auch, der Glühdraht hat einen großen inneren Widerstand (gemessen in der Einheit Ohm = Ω, abgeleitet von der Spannung und der Stromstärke ist 1Ω = 1 V/A). Dabei wird ca. 5% der elektrischen Energie in Lichtenergie und 95% in (die eher nicht gewünschte) Wärmeenergie umgewandelt. Mit Erfindung der blauen LED in den 90er Jahren beginnt die Entwicklung der LED-Leuchtmittel. Das wichtigste daran ist die Umkehrung der Umwandlung von Licht und Wärme. Heute ist die Glühbirne als Leuchtmittel nicht mehr erlaubt.  

Eine LED (Light Emitting Diode) ist ein Bauteil aus der Halbleitertechnik und wurde in 60er Jahren funktionstüchtig entwickelt. Es nutzt die elektrischen Eigenschaften von sogenannten Halbleiter (auch Halbmetalle), die sowohl Eigenschaften von Isolatoren als auch von Metallen haben können. Im Bild sind diese Elemente dunkelgrau.

Eine LED ist ein Übergang aus 2 verschieden dotierten (gezielt verunreinigten) Halbleitern. Das Periodensystem ordnet die Elemente spaltenweise nach Anzahl ihrer Außenelektronen. Das bedeutet, das die Elektronen eines Elementes den Kern auf bestimmten Bahnen umkreisen, die feste Anzahlen von Elektronen aufnehmen können (Bohrloches Atommodell). Die äußere Bahn nimmt bis zu 8 Elektronen auf. Alle Elemente streben nach diesem Zustand und verbinden sich deshalb untereinander zu Molekülen mit sich selber oder mit anderen Elementen.

Der Halbleiter Germanium (Ge) hat z. B. 4 Außenelektronen. Er bildet deshalb ein Kristallgitter mit 4 anderen Germaniumatomen und teilt sich jeweils 1 Elektron und hat somit 8.

Dotiert man nun einen Teil eines Germaniumkristalls mit Gallium(Ga, 3 Außenelektronen, p-Dotierung) und die andere Hälfte mit Arsen (As, 5 Außenelektronen, n-Dotierung), erhält man einen Übergang pn-Übergang), der teilweise zu wenig Elektronen (Löcher) und teilweise zu viel Elektronen hat. Die „Löcher“ und Elektronen können sich bewegen und diffundieren am Übergang und bilden durch Rekombination eine Raumladungszone (siehe Bild Diode). Das verhindert weitere Bewegung der Ladungsträger, es fließt kein Strom. Legt man Spannung an, vergrößert man entweder diese Zone (Anode (+ Pol) an die n-Dotierung) oder man verkleinert sie (Anode an die p-Dotierung). So ist die Diode gesperrt oder durchlässig für Strom.

Abhängig vom Material der Dioden entstehen bei der Rekombination zusätzlich Lichtblitze einer bestimmten Frequenz (Farbe). Aus den Grundfarben werden dann mehrere pn-Übergange kombiniert zu weißem Licht. Die Lichtausbeute wurde im Laufe der Jahre immer mehr verbessert und heute sind LEDs praktisch das am meisten genutzte Leuchtmittel. Die unten abgebildete technische Skizze zeigt einen realen Aufbau.

LEDs funktionieren nur in einen kleinen Spannungsbereich, zu wenig Spannung bedeutet kein Licht, zu viel bedeutet Zerstörung. Deshalb ist die Handhabung für Experimente der Kindern etwas schwieriger als bei Glühbirnen.

Bewährt haben sich hier die Benutzung von fertigen 3V-LEDs in Kombination mit 2 normalen Batterien (2x 1,5V). Diese haben die Form von den in der Schule üblichen Glühbirnen und können mit allen alten Fassungen , Kabeln etc. verwendet werden. Mit den Kindern muss nur der richtige Anschluss der Batteriepole besprochen werden. Das Experiment mit Reihen- und Parallelschaltungen lässt sich durchführen, allerdings leuchten die LEDs in Reihenschaltung gar nicht und nicht schwach. Das Ohmsche Gesetz U=RxI ist hier nicht so anschaulich zu zeigen, ist aber für den Grundschulunterricht irrelevant. 

Der innere Widerstand eines Stoffes drückt materialspezifisch das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke aus. Vergleicht man also zwei verschiedene leitende Stoffe derselben Form und Größe, dann wird sich bei gleicher angelegter Spannung ein anderer Widerstandswert messen lassen. So fließen in dieser Versuchsanordnung durch Kupfer mehr Elektronen als durch Zink. Man sagt auch das edlere Kupfer hat einen kleineren elektrischen Widerstand oder umgekehrt eine höhere elektrische Leitfähigkeit.

Bei Isolatoren liegt ein sehr hoher elektrischer Widerstand vor, weil keine freien Elektronen vorhanden sind, die sich bewegen können. Alle Metalle haben die gleiche Eigenschaft und sind Leiter. Durch ihre spezifische molekulare Bauart können sich Elektronen hier frei bewegen. Bei sehr hohen Spannungen oder bei Erhitzung können auch Isolatoren messbare elektrische Leitfähigkeit entwickeln. So wird zum Beispiel bei ca. 750° C Glas zum elektrischen Leiter. Luft (eigentlich ein Isolator) wird bei mehreren 10 Millionen Volt bei einem Gewitter ein Leiter und wir sehen Blitze.

Wasser wird durch die Zugabe von Salz, Säure oder Basen ein elektrischer Leiter. Hier wird die Leitfähigkeit nicht durch die Elektronen direkt hervorgerufen, sondern durch ionisierte Moleküle. Kationen (+ geladene Teilchen) oder Anionen (- geladene Teilchen) bilden den elektrischen Stromfluss in einer wässrigen Lösung. Sie sind auch Grundlage des Stromflusses in Lebewesen, der Elektrophysiologie und sind so z.B. die Basis für die Funktion von Nervenzellen.