- Elektrotechnik
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Elektrotechnik ist diejenige Technikwissenschaft, die sich ingenieurwissenschaftlich mit der Forschung und der technischen Entwicklung sowie der Produktionstechnik von Geräten oder Verfahren befasst, die zumindest anteilig auf elektrischer Energie beruhen. Hierzu gehören der Bereich der Wandler, die elektrischen Maschinen und Bauelemente sowie Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs-, Nachrichten- und Computertechnik bis hin zur technischen Informatik.
Elektronische Schaltung
Inhaltsverzeichnis
Aufgabengebiete
Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute in der Energietechnik und der Antriebstechnik ihren Niederschlag findet, und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.
Energietechnik
ÜbertragungsleitungDie elektrische Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit der Gewinnung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch-rotatorischer Energie mittels Generatoren erzeugt. Zur klassischen Starkstromtechnik gehören außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie sowie die Antriebstechnik. Zu dem Bereich der Übertragung elektrischer Energie im Bereich der Niederspannung zählt auch der Themenbereich der Elektroinstallationen, wie sie unter anderem vielfältig im Haushalt zu finden sind.
Antriebstechnik
Die Antriebstechnik, früher ebenfalls als „Starkstromtechnik“ betrachtet, setzt elektrische Energie mittels elektrischer Maschinen in mechanische Energie um. Klassische elektrische Maschinen sind Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommaschinen, wobei vor allem im Bereich der Kleinantriebe viele weitere Typen bestehen. Aktueller ist die Entwicklung der Linearmotoren, die elektrische Energie ohne den „Umweg“ über die Rotation direkt in mechanisch-lineare Bewegung umsetzen. Die Antriebstechnik spielt eine große Rolle in der Automatisierungstechnik, da hier oft eine Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben zu realisieren sind. Für die Antriebstechnik wiederum spielt Elektronik eine große Rolle, zum einen für die Steuerung und Regelung der Antriebe, zum anderen werden Antriebe oft mittels Leistungselektronik mit elektrischer Energie versorgt. Auch hat sich der Bereich der Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung im Bereich der Elektrotechnik erheblich weiterentwickelt.
Nachrichtentechnik
Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden Signale mit elektromagnetischen Wellen als Informationsträger von einer Informationsquelle (dem Sender) zu einem oder mehreren Empfängern (der Informationssenke) übertragen. Dabei kommt es darauf an, die Informationen so verlustarm zu übertragen, dass sie beim Empfänger erkannt werden können (siehe auch Hochfrequenztechnik, Amateurfunk). Wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist die Signalverarbeitung, zum Beispiel mittels Filterung, Kodierung oder Dekodierung.
Elektronik
Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren. Die Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise. Die Entwicklung der Leistungshalbleiter (Leistungselektronik) spielt in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle, da Frequenzumrichter die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellen können als es beispielsweise mit Transformatoren möglich ist.
Die Digitaltechnik lässt sich insoweit der Elektronik zuordnen, als die klassische Logikschaltung aus Transistoren aufgebaut ist. Andererseits ist die Digitaltechnik auch Grundlage vieler Steuerungen und damit für die Automatisierungstechnik bedeutsam. Die Theorie ließe sich auch der theoretischen Elektrotechnik zuordnen.
Automatisierungstechnik
In der Automatisierungstechnik werden mittels Methoden der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (zusammenfassend MSR-Technik genannt) einzelne Arbeitsschritte eines Prozesses automatisiert bzw. überwacht. Heute wird üblicherweise die MSR-Technik durch Digitaltechnik gestützt. Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik. Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten. Beispiele sind die Regelung von Industrierobotern, Autopiloten in Flugzeugen und Schiffen, Drehzahlregelungen in Motoren, die Stabilitätskontrolle (ESP) in Automobilen, die Lageregelung von Raketen und die Prozessregelungen chemischer Anlagen. Einfache Beispiele des Alltags sind die Temperaturregelungen in Bügeleisen und Kühlschränken (siehe auch Sensortechnik).
Elektronische Gerätetechnik
Die elektronische Gerätetechnik befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung elektronischer Baugruppen und Geräte. Sie beinhaltet damit den Entwurf und die anschließende konstruktive Gestaltung elektronischer Systeme (Verdrahtungsträger, Baugruppen, Geräte).
Theoretische Elektrotechnik
Die Basis der Theorie und Bindeglied zur Physik der Elektrotechnik sind die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre. Die Theorie der Schaltungen befasst sich mit den Methoden der Analyse von Schaltungen aus passiven Bauelementen. Die theoretische Elektrotechnik, die Theorie der Felder und Wellen, baut auf den Maxwellschen Gleichungen auf.
Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik
Anfänge im 17. und 18. Jahrhundert
Alessandro VoltaDie Anfänge der Elektrotechnik sind sicher in der Physik zu suchen, die sich aber spätestens zur Zeit von George Westinghouse und Werner von Siemens zu einer eigenen Disziplin entwickelt haben. Im Anfang standen Entdeckungen rund um die Elektrizität. Im 17. Jahrhundert erregten die Elektrizität und ihre Erscheinungen zum ersten Mal das Interesse von Naturwissenschaftlern. Im Jahre 1663 erfand Otto von Guericke die erste Elektrisiermaschine, eine Schwefelkugel mit einer Drehachse, die Elektrizität durch von Hand bewirkte Reibung erzeugte. Um die Mitte des 18. Jahrhunderts wurde von Ewald Georg von Kleist und Pieter van Musschenbroek die Leidener Flasche erfunden, die älteste Bauform eines Kondensators. 1752 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter und veröffentlichte 1751 bis 1753 die Resultate seiner Experiments and Observations on Electricity. 1792 unternahm Luigi Galvani sein legendäres Froschschenkel-Experiment, das zur Entwicklung der Galvanischen Zelle, einer besonderen elektrochemischen Zelle, führte.
19. Jahrhundert
Von den Experimenten Galvanis angeregt, baute Alessandro Volta um 1800 die so genannte Voltasche Säule, die erste funktionierende Batterie, mit der zum ersten Mal eine kontinuierliche Stromquelle für die elektrotechnische Forschung zur Verfügung stand. 1820 machte Hans Christian Ørsted Versuche zur Ablenkung einer Magnetnadel durch elektrischen Strom. André-Marie Ampère führte diese Experimente weiter und wies 1820 nach, dass zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander ausüben. Ampère erklärte den Begriff der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes und legte die Stromrichtung fest.
Michael Faraday leistete einen großen Beitrag auf dem Gebiet der elektrischen und magnetischen Felder, von ihm stammt auch der Begriff der „Feldlinie“. Die Erkenntnisse Faradays waren die Grundlage für James Clerk Maxwells Arbeiten. Er vervollständigte die Theorie des Elektromagnetismus zur Elektrodynamik und deren mathematische Formulierung. Die Quintessenz seiner Arbeit, die 1864 veröffentlichten maxwellschen Gleichungen sind eine der grundlegenden Theorien in der Elektrotechnik.
Philipp Reis erfand 1860 am Institut Garnier in Friedrichsdorf das Telefon und damit die elektrische Sprachübermittlung. Allerdings wurde seiner Erfindung keine große Beachtung geschenkt, so dass erst 1876 Alexander Graham Bell in den USA das erste wirtschaftlich verwendbare Telefon konstruierte und auch erfolgreich vermarktete.
Zu den Wegbereitern der „Starkstromtechnik“ gehört Werner von Siemens, der 1866 mittels des dynamoelektrischen Prinzips den ersten elektrischen Generator entwickelte. Elektrische Energie war das erste Mal in großer, nutzbarer Menge vorhanden. 1879 erfand Thomas Alva Edison die Kohlefadenglühlampe und brachte damit das elektrische Licht zu den Menschen. In der Folge hielt Elektrizität Einzug in immer größere Bereiche des Lebens. Zur gleichen Zeit wirkten Nikola Tesla und Michail von Dolivo-Dobrowolsky, die Pioniere des Wechselstroms waren und durch ihre bahnbrechenden Erfindungen die Grundlagen der heutigen Energieversorgungssysteme schufen.
Erasmus Kittler begründete 1883 an der TH Darmstadt (heute TU Darmstadt) den weltweit ersten Studiengang für Elektrotechnik. Der Studiengang dauerte vier Jahre und schloss mit einer Prüfung zum Elektrotechnik-Ingenieur ab. 1885 und 1886 folgten das University College London (UK) und die University of Missouri (USA), die weitere eigenständige Lehrstühle für Elektrotechnik einrichteten. Die so ausgebildeten Ingenieure waren erforderlich, um eine großflächige Elektrifizierung zu ermöglichen.
Heinrich Hertz gelang 1884 der experimentelle Nachweis der Maxwellschen Gleichungen. Er wies die Existenz elektromagnetischer Wellen nach, er ist somit der Begründer der Grundlagen der drahtlosen Informationsübertragung und damit auch der Nachrichtentechnik.
1895 führt Alexander Popow über 250 m die weltweit erste drahtlose Funkübertragung aus. Basierend auf seinen Arbeiten sind ab 1900 erste Sende- und Empfangsanlagen kommerziell verfügbar.
20. Jahrhundert
John Ambrose Fleming erfindet 1905 die erste Radioröhre, die Diode. 1906 entwickeln Robert von Lieben und Lee De Forest unabhängig voneinander die Verstärkerröhre, Triode genannt, die der Funktechnik einen wesentlichen Impuls gab.
John Logie Baird baute 1926 mit einfachsten Mitteln den ersten mechanischen Fernseher auf Grundlage der Nipkow-Scheibe. 1928 folgte der erste Farb-Fernseher. Im selben Jahr gelang ihm die erste transatlantische Fernsehübertragung von London nach New York. Bereits 1931 war seine Erfindung jedoch veraltet, Manfred von Ardenne führte damals die Kathodenstrahlröhre und damit das elektronische Fernsehen ein.
1941 stellt Konrad Zuse den weltweit ersten funktionsfähigen Computer, den Z3, fertig. Im Jahr 1946 folgt der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly. Die erste Phase des Computerzeitalters begann. Die so zur Verfügung stehende Rechenleistung ermöglicht es den Ingenieuren und der Gesellschaft, völlig neue Technologien zu entwickeln und Leistungen zu vollbringen. Ein frühes Beispiel ist die Mondlandung im Rahmen des Apollo-Programms der NASA.
Nachbau des ersten Transistors von 1947Die Erfindung des Transistors 1947 in den Bell Laboratories (USA) durch William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain und der gesamten Halbleitertechnologie erschloss der Elektrotechnik sehr weite Anwendungsgebiete, da nun viele Geräte sehr kompakt gebaut werden konnten. Ein weiterer wesentlicher Schritt in diese Richtung war die Entwicklung der Mikrointegration: Der 1958 von Jack Kilby erfundene Integrierte Schaltkreis (IC) machte die heutigen Prozessorchips und damit die Entwicklung moderner Computer überhaupt erst möglich.
1958 erfinden und bauen George Devol und Joseph Engelberger in den USA den weltweit ersten Industrieroboter. Ein solcher Roboter wird 1960 bei General Motors erstmals in der industriellen Produktion eingesetzt. Industrieroboter sind heute in verschiedensten Industrien, wie z. B. der Automobilindustrie, ein wichtiger Baustein der Automatisierungstechnik.
Gerhard Sessler und James E. West erfinden 1962 das Elektretmikrofon, das heute das häufigst produzierte Mikrofon weltweit ist. Es ist z.B. Bestandteil von Handys und Kassettenrekordern.
Honda P2Im Jahr 1968 erfindet Marcian Edward Hoff, bekannt als Ted Hoff, bei der Firma Intel den Mikroprozessor und läutet damit die Ära des PCs ein. Zugrunde lag Hoffs Erfindung ein Auftrag einer japanischen Firma für einen Desktop-Rechner, den er möglichst preisgünstig realisieren wollte. Die erste Realisierung eines Mikroprozessors war 1969 der Intel 4004, ein 4 Bit Prozessor. Aber erst der Intel 8080, ein 8-Bit-Prozessor, aus dem Jahr 1973 ermöglichte den Bau des ersten PCs, des Altair 8800.
Die Firma Philips erfindet 1978 die Compact Disc (CD) zur Speicherung digitaler Informationen. 1982 resultiert dann aus einer Kooperation zwischen Philips und Sony die Audio-CD. 1985 folgt die CD-ROM.
Im Jahr 1996 präsentiert die Firma Honda den weltweit ersten funktionsfähigen humanoiden Roboter, den P2. Einen ersten prototypischen humanoiden Roboter, der aber noch nicht voll funktionsfähig war, entwickelte bereits 1976 die japanische Waseda-Universität. Aus dem P2 resultierte der zurzeit aktuelle Android, Hondas etwa 1,20 m großer Asimo. Neben vielen elektronischen und elektrotechnischen Komponenten bestehen humanoide Roboter auch wesentlich aus mechanischen Komponenten, deren Zusammenspiel man als Mechatronik bezeichnet.
Elektrotechnik in der Berufswelt
Studienfach
Elektrotechnik wird an vielen Universitäten, Fachhochschulen und Berufsakademien als Studiengang angeboten. Es gibt auch Oberstufenzentren mit Spezialgebiet Elektrotechnik, wo man den erweiterten Hauptschulabschluss oder Realschulabschluss oder das Fachabitur nachholen kann. Die Regelstudienzeit beträgt an der Universität 9 bis 10 Semester, an der Fachhochschule (FH) 7 bis 8 (inkl. Praxissemester) Semester und an der Berufsakademie (BA) 6 Semester. Der Abschluss erfolgt mit dem Diplom als Diplomingenieur (Dipl.-Ing. bzw. Dipl.-Ing. (FH)) oder Master of Science (M. Sc.). Mittlerweile ist es möglich, den Bachelor of Engineering oder den Bachelor of Science zu erwerben, dann beträgt die Regelstudienzeit 6 Semester, an der FH 7 Semester inklusive Praxissemester.
Das Studium der Elektrotechnik beinhaltet einige themenverwandte Fächer: Grundlagen der Elektrotechnik, Physik, Höhere Mathematik, Netzwerk- und Systemtheorie, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), einige Laborpraktika und Spezialisierungsfächer. An der Universität wird die wissenschaftliche Arbeit in der Ausbildung betont, an der Fachhochschule steht die Anwendung physikalischer Kenntnisse im Vordergrund. Aufgrund der Interdisziplinarität und der oft engen Verflechtung mit der Informatik, ist auch Programmieren in der Regel Teil des Studiums. Entsprechende Studiengänge oder eng verwandte Studiengänge heißen dann auch etwa Elektro- und Informationstechnik bzw. technische Informatik. Der „Doktor-Ingenieur“ ist der höchste akademische Grad, der üblicherweise im Anschluss an ein einschlägiges Studium an einer Universität erreicht werden kann.
An einigen Hochschulen kann das Fach Elektro- und Informationstechnik auch in sieben Semestern mit der Aussicht auf den Master für Berufliche Bildung studiert werden, der weitere drei Semester umfasst. Mit diesem Abschluss und weiteren 1,5 Jahren Referandariatszeit kann man einer Stelle als Gewerbelehrer (höherer Dienst) an einer Berufsschule nachgehen. Ebenso existiert das Studienfach Lehramt an Berufsschulen für Elektrotechnik; hier wird üblicherweise ebenfalls ein Referendariat gefordert, bevor eine Stelle im höheren Dienst an einer Berufsschule angetreten werden kann.
Ausbildungsberufe
Berufsverbände
Der größte Berufsverband für Elektrotechnik weltweit ist das Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE). Er zählt über 400.000 Mitglieder und publiziert Zeitschriften auf allen relevanten Fachgebieten in Englisch. Seit 2008 gibt es den IEEE Global History Network (IEEE GHN), wobei in verschiedenen Kategorien wichtige Meilensteine (beurteilt durch ein Fachgremium) und persönliche Erinnerungen von Ingenieuren (IEEE First-Hand) festgehalten werden können. Ein solcher Erinnerungsbericht eines Schweizer Elektroingenieurs kann als Beispiel eingesehen werden.[1]
Siehe auch
Portal:Elektrotechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Elektrotechnik Portal:Mikroelektronik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema MikroelektronikLiteratur
- Manfred Albach: Grundlagen der Elektrotechnik 1. Erfahrungssätze, Bauelemente, Gleichstromschaltungen. Pearson Studium, München 2004, ISBN 3-8273-7106-6.
- Manfred Albach: Grundlagen der Elektrotechnik 2. Periodische und nicht periodische Signalformen. Pearson Studium, München 2005, ISBN 3-8273-7108-2.
- Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik. 11., durchges. Aufl., Wiebelsheim 2005, ISBN 3-89104-687-1.
- Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.1, Analogtechnik. Elektor-Verlag 2002 ISBN 3-89576-024-2.
- Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.2, Digitaltechnik. Elektor-Verlag 1996 ISBN 3-89576-025-0.
- Helmut Lindner, Harry Brauer, Constanz Lehmann: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik. 9. neu bearbeitete Auflage. Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag 2008, ISBN 978-3-446-41458-7.
Weblinks
Wiktionary: Elektrotechnik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Formelsammlung Elektrotechnik – Lern- und Lehrmaterialien Wikibooks: Formelsammlung Elektrizitätslehre – Lern- und Lehrmaterialien Wikibooks: Regal:Elektrotechnik – Lern- und LehrmaterialienEinzelhinweise
- ↑ Peter J. Wild: First-Hand:Liquid Crystal Display Evolution - Swiss Contributions. 24. August 2011, abgerufen am 5. September 2011.
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