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Powerbanks: Ihre physikalischen Größen kurz erklärt

Volt, Ampere, Watt und Co. sind Begriffe die man immer wieder hört. Doch was bedeuten diese überhaupt? In diesem Beitrag werden alle wichtigen physikalischen Größen kurz und verständlich erklärt. Außerdem nehmen wir Bezug auf Powerbanks und verdeutlichen, was genau dass alles miteinander zu tun hat.

Physikalische Größen – Was ist das?

Im Grunde handelt es sich dabei um messbare Eigenschaften, welche durch eine Größe und eine Einheit dargestellt werden. Um nun damit rechnen zu können verwendet man Symbole – sogenannte Formelzeichen. Diese den physikalischen Größen zugeordneten Formelzeichen werden in kursiv geschrieben. Die Einheiten werden durch einen oder teilweise auch mehreren Buchstaben abgekürzt.

Wichtige physikalische Größen:
GrößeFormelzeichenEinheit
SpannungUVolt (V)
StromIAmpere (A)
WiderstandROhm (Ω)
LeistungPWatt (W)
Energie, ArbeitW, EWattstunde (Wh)

 

Spannung in Volt (V)

Spannung anhand einer Wassersäule erklärt

Abb 1: Je höher das Wasser in der Säule steht, desto höher die Spannung (Druck) am Grund der Säule.

Stellen wir uns mal einen Fluss vor. Fließt dieser Fluss steil bergab fließt das Wasser mit einen hohen Druck. Dieser Druck ist unsere Spannung. Spannung wird benötigt damit Strom fließen kann. Also ist Spannung eine unsichtbare treibende Kraft die Ladungsbewegung verursacht.

Die Spannung eines Akkus hängt immer von deren Ladestand ab. Besser vorstellen kann man sich das anhand einer senkrechten Wassersäule. Je mehr Wasser enthalten ist, desto höher ist der Druck (Spannung) am Grund der Säule. Daraus lässt sich auch schließen, dass an jedem Verbraucher eine Spannung (Druck) anliegt, auch wenn gerade kein Wasser (Strom) fließt.

Zusammengefasst also:
  • Spannung ist vergleichbar mit Wasserdruck.
  • Spannung (Druck) ist notwendig, dass Strom (Wasser) fließen kann.
  • An jedem Verbraucher liegt Spannung (Druck) an.
  • Die Spannung von Akkus hängt von deren Ladestand ab.

Im Bezug auf Powerbanks

Die Spannung am Ausgang der Powerbank muss mit der Eingangsspannung des Endgerätes übereinstimmen. Denn bei zu hoher Spannung besteht die Gefahr, dass das Endgerät durch Überspannung Schaden nimmt. Bei zu wenig Spannung dagegen, kann es vorkommen das die Powerbank nicht als Ladegerät bzw. Netzteil erkannt wird. Geringe Abweichungen werden jedoch i.d.R. toleriert.

Strom in Ampere (A)

Strom anhand eines Flusses erklärt

Abb 2: Viel Wasser erfordert einen breiten Fluss. Genauso verhält es sich mit Strom, viel Strom erfordert dicke Kabel.

Wenn man davon spricht das Strom fließt, wird damit eigentlich gemeint, dass negativ geladene Elektronen in eine Richtung von A nach B fließen. Die Durchflussmenge, wird in Ampere (A) angegeben. Wie viel Ampere nun fließen, kommt darauf an wie viele Elektronen pro Sekunde von A nach B fließen.

Nehmen wir uns wieder unsere Analogie mit dem Fluss zur Hand. Es gibt Flüsse welche ganz langsam fließen, jedoch aufgrund ihrer Breite viel Wasser (Liter) transportieren. Genauso verhält es sich mit Strom. Je mehr Strom fließt, desto dicker muss das Kabel sein, damit er auch durchkommt. Strom ist also eine Mengenangabe und hat nichts mit Leistung zu tun.

Zusammengefasst also: Strom = Anzahl Elektronen pro Sekunde von A nach B. Das bedeutet Strom lässt sich einfach zählen. Bei 1 Ampere fließen etwa 6 Trillionen (18 Nullen) Elektronen pro Sekunde

Im Bezug auf Powerbanks

Im Gegensatz zur Spannung, nimmt sich das Gerät immer nur so viel Strom wie es gerade benötigt. Hier mal drei Fallbeispiele:

  1. Die Stromstärke der Powerbank beträgt 1 Ampere und die des angeschlossenen Smartphones 2,1 Ampere. In diesem Fall, wird das Smartphone trotzdem geladen, jedoch dauert es etwas länger um den Akku „zu füllen“.
  2. Die Stromstärke der Powerbank und die des Smartphones liegt bei 2,1 Ampere, und ist somit identisch. In diesem Fall wird der Ladevorgang optimal durchgeführt.
  3. Die Powerbank hat einen höheren Strom als das Smartphone. Das stellt ebenfalls kein Problem dar, weil der Ladestrom von dem Smartphone oder/und von der Powerbank begrenzt wird. Also nimmt des Smartphone keinen Schaden, es bleiben sogar noch Reserven um ein weiteres Gerät mit Strom zu versorgen.

Teilt sich der Strom (Wassermenge) also in zwei oder mehr Anschlüsse (Flüsse) auf, liegt an den Anschlüssen jeweils ein geringerer Strom an. Dabei kommt es darauf an, wie sich der Strom (Wasser) auf die einzelnen Anschlüsse (Flüsse) aufteilt.

Das bedeutet also: Wenn mehrere Geräte gleichzeitig an einer Powerbank geladen werden, dauert das Laden einfach länger, weil sich der zur Verfügung stehende Strom aufteilen muss. Zu viel Strom richtet in der Regel ebenso keinen Schaden an, da er von der Ladeelektronik begrenzt wird.

Widerstand in Ohm (Ω)

Elektrischer Widerstand an einem Berg erklärt

Abb 3: Je steiler der Berg ist, desto größer der Widerstand für den Wanderer (Strom).

Je mehr sich dem Strom entgegenstellt, desto größer der Widerstand. Und je höher der Widerstand, desto höher wird die Spannung. Außerdem geht so Strom „verloren“. Warum „verloren“? Strom ist Energie und Energie kann bekanntlich nicht verloren gehen. In der Elektrotechnik wird Strom wenn er auf einen Widerstand stößt, durch die Reibung der Elektronen in Wärme umgewandelt. Hier mal zwei Beispiele:

  • Ein Widerstand vergleichbar mit einem großen Stein, der im Fluss liegt und das Wasser (Strom) ausbremst.
    • Je größer der Stein oder je mehr Steine, desto größer der Widerstand.
  • Stellt man sich einen Wanderer vor der einen Berg hinauf steigt, stellt der Wanderer den Strom und der Berg den Widerstand dar.
    • Je steiler der Berg, desto größer der Widerstand.
Als Widerstand wird etwas bezeichnet, wenn sich etwas dem Strom entgegen stellt und ihn „ausbremsen“ will.

Im Bezug auf Powerbanks

Das Ziel ist es also, den Widerstand so klein wie möglich zu halten, um so viel Energie wie möglich in einen Verbraucher zu übertragen. Die meiste Energie geht beim umwandeln der Spannung verloren. Also Netzspannung > Powerbank-Spannung > Verbraucher-Spannung. Hier gilt: Je effektiver die Ladeelektronik, desto besser. Wenn die Powerbank warm wird, kann man die „verblasene“ Energie sogar spüren. Auch Kabel stellen einen Widerstand dar, schlechte Kabel einen höheren als bessere Kabel. Auch die Länge hat dabei einen Einfluss.

Je besser die Ladeelektronik (Energieumwandlung) einer Powerbank, desto effektiver wird die gespeicherte Energie genutzt und an einen Verbraucher übertragen.

Leistung in Watt (W)

Watt anhand eines Wasserfalls erklärt

Abb 4: Das Zusammenspiel aus Strom und Spannung ist wichtig um am Ende die richtige Leistung zu erhalten.

Watt also Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Gut verdeutlichen kann man das anhand eines Wasserfalls. Die Höhe aus der das Wasser herabfällt, stellt die Spannung dar. Am Fuße des Wasserfalls befindet sich ein großes Wasserrad, um das anzutreiben reicht es nicht, wenn gelegentlich nur ein Tröpfchen Wasser herabfällt. Hier kommt der Strom ins Spiel, um das Wasserrad anzutreiben muss viel Wasser auf einmal fließen. Wenn aber die Höhe (Spannung) des Wasserfalls zu klein ist, reicht es auch nicht.

Zusammengefasst also: Um eine gewisse Leistung erreichen zu können, ist das richtige Zusammenspiel von Spannung und Strom wichtig. Die Formel lautet wie folgt: Spannung (V) * Strom (A) = Leistung (W)

Im Bezug auf Powerbanks

Anhand der zur Verfügung gestellten Leistung einer Powerbank können wir feststellen, ob diese in der Lage ist beispielsweise einen Laptop zu betreiben und zu laden. Bitte achten Sie darüber hinaus unbedingt auch darauf, dass die Spannungsangaben der Powerbank mit die des Verbrauchers übereinstimmt.

Energie – Leistung pro Zeit in Wattstunden (Wh)

Wattstunden beschreibt wie viel Leistung in einer bestimmten Zeit abgegeben bzw. aufgenommen wird. Nimmt man zum Beispiel einen Wassereimer, kann man ihn schnell ausschütten, die Wassermenge bleibt jedoch dieselbe. Also ist „Wattstunde“ eine Energieangabe. 

Ein Praxisbeispiel:

Lässt man ein 800 Watt Bügeleisen an der Steckdose, wird nach einer bestimmten Zeit 1 Kilowattstunde (1000 Wh) an Strom verbraucht sein.

Rechnung:

Zeit (t) = 1000 : Watt des Gerätes

1,25 = 1000 : 800 Watt

Ergebnis:

Nach 1 Stunde und 15 Minuten bei 800 Watt Leistung, sind 1000 Wattstunden (1 kWh) verbraucht.

Im Bezug auf Powerbanks

Irrtümlicherweise werden die Milliamperestunden (mAh) als Kapazitätsangabe „verkauft“. Mehr dazu in unserem Artikel zu den Akku Mythen. Will man Powerbanks miteinander vergleichen, sollte man sich dagegen besser die Wattstunden genauer ansehen. Anhand dieser Leistungskennzahl erhalten wir die genaue Leistungsmenge, die von der Powerbank bereitgestellt werden kann.

Wichtig dabei: Diese Angabe bezieht sich ganz und allein auf die in der Powerbank verbauten Akkuzellen. Um festzustellen wie viel Energie schlussendlich am Endgerät ankommt, muss die Verlustleistung bei der Energieübertragung (Powerbank > Endgerät) mit einberechnet werden.

Kapazität in Milliamperestunden (mAh)

Für viele sind die Milliamperestunden (mAh) der entscheidende Kauffaktor. Doch wie zuvor bereits erwähnt, sagen die Milliamperestunden nur wenig über die Kapazität eines Akkus aus. Denn die Zellenspannung (interne Spannung) des Akkus ist hier besonders entscheidend. Aus dem Grund kann man nur Akkus vergleichen, die dieselbe Spannung aufweisen. Eine weitere Möglichkeit haben wir eben bereits angesprochen, wir rechnen uns einfach die Wattstunden aus.

Und das ist ganz einfach: Wattstunden (Wh) = Spannung (V) * Milliamperestunden (mAh) / 1000

Um noch einmal auf unsere Analogie mit dem Wasserfall zurück zu kommen. Spannung war die Höhe des Wasserfalls, so wird deutlich das die Spannung viel Einfluss hat. Denn das Wasser kann mehr Schwung holen und somit kommt mehr Kraft (Leistung) am Wasserrad an.

Im Bezug auf Powerbanks

Eine Powerbank mit 5000 mAh und einer internen Zellenspannung (nicht Output Spannung) von 3,7 Volt, kann man nicht mit einer Powerbank mit 11,2 Volt und ebenfalls 5000 mAh vergleichen.

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