Elektrotechnik

Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Hierzu gehören die elektrische Energieerzeugung, die Energieübertragung sowie alle Arten ihrer Nutzung. Dieses reicht von den elektrisch betriebenen Maschinen über alle Arten elektrischer Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs- und Computertechnik bis hin zur Nachrichtentechnik. Die Elektrotechnik ist sowohl eine Ingenieurwissenschaft, die technische Anwendungen erforscht und umsetzt, als auch das Aufgabenfeld diverser Handwerksberufe.

Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute als Energietechnik und Antriebstechnik erscheinen 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 (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit Erzeugung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch-rotorischer Energie mittels Generatoren erzeugt. Zur klassischen Starkstromtechnik gehören außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie sowie die Antriebstechnik.

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 direkt in mechanisch-lineare Bewegung umsetzen, ohne "Umweg" über Rotationsbewegung. 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 Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt. Auch hat sich der Bereich der Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung im Bereich der Elektrotechnik erheblich weiterentwickelt.

Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden mittels elektrischer Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen 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.

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In der Automatisierungstechnik werden mittels Methoden der Mess-, Steuerungs-, Regelungs- (zusammenfassend als MSR-Technik bezeichnet) und Digitaltechnik einer oder mehrere manuelle Arbeitsschritte automatisiert bzw. überwacht. 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.)

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. Aufgebaut auf den Maxwellschen Gleichungen ist die Theorie der Felder und Wellen, kurz, die Theoretische Elektrotechnik.

Die Anfänge der Elektrotechnik sind sicher in der Physik zu suchen, die sich aber spätestens zurzeit von George Westinghouse und Werner von Siemens zu einer eigenen Disziplin entwickelt hat. Im Anfang standen Entdeckungen rund um die Elektrizität. 1752 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter und veröffentlichte 1751-53 die Resultate seiner Experiments and Observations on Electricity. 1792 machte Luigi Galvani sein legendäres Froschschenkel-Experiment. Von diesen Experimenten angeregt, baute Alessandro Volta um 1800 die so genannte Volta'sche Säule, eine erste funktionierende Batterie. 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 erfindet 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 das dynamoelektrische Prinzip entdeckte und daraus den ersten elektrischen Generator entwickelte. Elektrische Energie war das erste Mal in großer, nutzbarer Menge vorhanden. 1879 erfand Thomas Alva Edison die Kohlefadenglühbirne 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 Rudolf 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.

1896 führt Guglielmo Marconi über 3 km die weltweit erste drahtlose Funkübertragung aus. Basierend auf seinen Arbeiten sind ab 1900 erste Sende- und Empfangsanlagen kommerziell verfügbar. John A. 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.

1942 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 sind das Apollo-Programm und die Mondlandung der NASA.

Die 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 Integrierten Schaltkreise (IC) und damit der heutigen Prozessorchips.

1958 erfinden und bauen G.C. Devol und J. 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 Bausstein der Automatisierungstechnik.

Im 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 wird an vielen Universitäten und Fachhochschulen 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 (incl. Praxissemester) Semester. Der Abschluss geschieht mit dem Diplom als Dipl.-Ing. oder Master of Science bzw. Dipl.-Ing. (FH). Mittlerweile ist es möglich den Bachelor of Engineering zu erwerben, dann beträgt die Regelstudienzeit nur 6 Semester. Das Studium der Elektrotechnik beinhaltet diverse themenverwandte Fächer: Grundlagen der Elektrotechnik, Physik, Höhere Mathematik, Netzwerk- und Systemtheorie, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik, diverse Laborpraktika und Spezialisierungsfächer. Aufgrund der Interdisziplinarität und der engen Verflechtung insbesondere mit der Informatik, ist auch oftmals Programmieren Teil des Studiums. Entsprechende Studiengänge heißen dann auch etwa Elektro- und Informationstechnik.

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Liste elektronischer Bauteile

Formelsammlung Elektrotechnik

Liste Persönlichkeiten der Elektrotechnik

Liste der Messgeräte und Messverfahren

Elektroindustrie

Mechatronik

• 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 3-827-37108-2
• Lorenz-Peter Schmidt, Gerd Schaller, Siegfried Martius: Grundlagen der Elektrotechnik 3. Netzwerke. Pearson Studium, München 2006, ISBN 3-827-37107-4
• Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik. 11., durchges. Aufl., Wiebelsheim 2005, ISBN 3-891-04687-1
• Jens Heinich: Eine kurze Chronik der Funkgeschichte. Dessau: Funk Verlag Bernhard Hein, 2002. ISBN 3-936-12412-4
• Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.1, Analogtechnik, Elektor-Verlag 2002 ISBN 3-895-76024-2
• Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.2, Digitaltechnik, Elektor-Verlag 1996 ISBN 3-895-76025-0
• Kurt Jäger (Hrsg.): "Lexikon der Elektrotechniker", VDE-Verlag, 1996, ISBN 3-800-72120-1
• Wolfgang König: "Technikwissenschaften", Chur: G+B Verlag Fakultas, 1995, ISBN 3-718-65791-0
• Küpfmüller, Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik (14. Aufl.) Springerverlag, ISBN 3-540-56500-0
• Pascal Leuchtmann: Einführung in die elektromagnetische Feldtheorie. Pearson Studium, München 2005, ISBN 3-827-37144-9
• Helmut Lindner, Harry Brauer, Constanz Lehmann: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik. Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag 1999, ISBN 3-446-210563
• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. (12. Aufl.) Springerverlag, April 2002, ISBN 3-540-42849-6
• Wolfgang Nerreter: Grundlagen der Elektrotechnik, Lehrbuch begleitend zum Bachelor-Studiengang Elektrotechnik, Carl Hanser-Verlag, München 2006, ISBN 3-446-40414-7 (Webseite zum Buch Grundlagen der Elektrotechnik)

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