Elektrotechnik ist eine Ingenieurwissenschaft, die sich mit der Forschung und der Entwicklung sowie der Produktion von Elektrogeräten 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-, Geräte- und Rechnertechnik bis hin zur technischen Informatik und Energietechnik.

Elektromotor (aufgeschnitten) für Präsentationszwecke

Hauptgebiete

Eine der Eigenschaften von Elektrizität ist, dass Elektrizität für die Energieübertragung als auch als für die Informationsübertragung sehr nützlich ist, weshalb sich die Elektrotechnik zuerst in diesen beiden Bereichen bemerkenswert entwickelte. Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war deshalb die Starkstromtechnik, die heute in der elektrischen Energietechnik und der Antriebstechnik ihren Niederschlag findet, und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Automatisierungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Viele Berufstätige im Bereich Elektrotechnik arbeiten und spezialisieren sich ausschließlich in einem dieser Hauptgebiete, jedoch auch viele benötigen Kenntnisse aller Hauptgebiete. 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.

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. In der theoretischen Elektrotechnik wird unterschieden zwischen Elektrostatik und Elektrodynamik, letzteres als Beispiel die Theorie der Felder und Wellen, baut auf den Maxwell-Gleichungen und der Lorentzkraft auf. Wer sein theoretisches Grundlagenwissen noch über das Elektrotechnikstudium hinaus vertiefen möchte, kann dies mit der Quantenelektrodynamik und der Elektroschwachen Wechselwirkung tun. Ein Wissen, das zurzeit in der praktischen Elektrotechnik jedoch kaum oder nur sehr selten eine Rolle spielt und eher dem Bereich der Grundlagenforschung zuzuordnen ist.

Elektrische Energietechnik

Übertragungsleitung und Umspannwerk

Die elektrische Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit der Gewinnung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie mit hoher elektrischer Leistung sowie auch der Hochspannungstechnik. Elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch-rotatorischer Energie mittels Generatoren gewonnen. 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.

Klassische Teilgebiete oder Unterrichtsfächer

Elektrische 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 Kinetische Antriebe oft mittels Leistungselektronik mit elektrischer Energie versorgt. Auch hat sich der Bereich der Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung im Bereich der Elektrotechnik erheblich weiterentwickelt.

Klassische Teilgebiete oder Unterrichtsfächer

Nachrichtentechnik

Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik oder Telekommunikation (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden Signale durch elektrische Leitung oder 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.

Klassische Teilgebiete oder Unterrichtsfächer

Elektronik, Mikroelektronik und Nanoelektronik

Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren. Die Anwendungen werden im Allgemeinen praktisch auf Leiterplatten mit der Leiterplattenbestückung realisiert.

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.

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 Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise. In einigen Bereichen der Halbleiterindustrie und Halbleitertechnik wurde die 100-Nanometer-Grenze unterschritten, so spricht man hier bereits formal von Nanoelektronik.

Klassische Teilgebiete oder Unterrichtsfächer

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 für Chemieanlagen. Einfache Beispiele des Alltags sind die Temperaturregelungen zusammen mit Steuerungen in vielen Konsumgütern wie Bügeleisen, Kühlschränken, Waschmaschinen und Kaffeeautomaten (siehe auch Sensortechnik).

Klassische Teilgebiete oder Unterrichtsfächer

Neu entstehende Spezialisierungsgebiete

Gebäudetechnik

Gebräuchlich sind ebenfalls die Begriffe Technische Gebäudeausrüstung (TGA) oder Versorgungstechnik mit Schwerpunkt Elektrotechnik. In Gebäuden sorgen Elektroinstallationen sowohl für die leitungsgebundene Verteilung elektrischer Energie als auch für die Nutzungsmöglichkeit von Kommunikationsmitteln (Klingeln, Sprechanlagen, Telefone, Fernsehgeräte, Satellitenempfangsanlagen und Netzwerkkomponenten). Neben der leitungsgebundenen Informationsverteilung kommt verstärkt Funkübertragung (DECT, WLAN) zum Einsatz. Die Gebäudeautomation nutzt Komponenten der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik in Gebäuden, um den Einsatz elektrischer und thermischer Energie zu optimieren, z. B. im Bereich der Beleuchtungs-, Klima- und Belüftungstechnik. Im Rahmen der Gebäudeautomation finden zudem verschiedenste Systeme für Gebäudesicherheit Verwendung.

Medizintechnik

Elektrotechnik-Medizintechnik Studiengänge werden an immer mehr Hochschulen angeboten. Durch die innovativen technischen Entwicklungen im Bereich der Medizin, werden in Krankenhäusern oder in Medizintechnik -Firmen und -Betrieben immer mehr spezialisierte Elektriker, Elektrotechniker und Ingenieure benötigt.

Bereiche wären beispielsweise Myoelektrik, Elektronik künstlicher Organe, Robotik-Prothesen, Bioprinter, HF-Chirurgie, Laserchirurgie, , Röntgenapparate, Sonografie, Magnetresonanztomographie, Optische Kohärenztomografie, Nuklearmedizin, Herz-Lungen-Maschinen, Dialysegeräte, Spezielle Anforderungen der Krankenhaustechnik.

Computer-, Halbleiter- und Gerätetechnik

Die elektronische Gerätetechnik, auch genannt, entstand aus dem Hauptgebiet Elektronik und 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, Elektrogeräte) und bedient sich dabei der Halbleitertechnik und der Rechnertechnik. Vor allem im Bereich Computerhardware, Haushaltsgeräte, Informationstechnik und Unterhaltungselektronik besteht großer Bedarf.

Geschichte, Bedeutende Entwicklungen und Personen

Altertum

Das Phänomen, dass bestimmte Fischarten (z. B. Zitterrochen oder Zitteraal) elektrische Spannungen erzeugen können (mit Hilfe des Elektroplax), war im alten Ägypten um 2750 v. Chr. bekannt.

Die meteorologische Erscheinung der Gewitterblitze begleitet die Menschheit schon immer. Die Deutung, dass die Trennung elektrischer Ladungen innerhalb der Atmosphäre in Gewittern dieses Phänomen verursacht, erfolgte jedoch erst in der Neuzeit. Elektrostatische Phänomene waren allerdings schon im Altertum bekannt.

Thales von Milet

Die erste Kenntnis über den Effekt der Reibungselektrizität etwa 550 v. Chr. wird dem Naturphilosophen Thales von Milet zugeschrieben. In trockener Umgebung kann Bernstein durch Reiben an textilem Gewebe (Baumwolle, Seide) oder Wolle elektrostatisch aufgeladen werden. Was zu jener Zeit aber noch nicht bekannt war, ist, dass durch Aufnahme von Elektronen Bernstein eine negative Ladung erhält, das Reibmaterial durch Abgabe von Elektronen dagegen eine positive Ladung. Durch die Werke von Plinius dem Älteren wurde das durch diese Experimente beobachtete Wissen bis ins Spätmittelalter überliefert.

17. Jahrhundert

18. Jahrhundert

19. Jahrhundert

  • 1833 entdeckte Michael Faraday dass bestimmte Materialien sich elektrisch anders verhalten als die typischen metallischen Leiter. z. B. bemerkte er, dass der Widerstand von Silbersulfid mit der Temperatur abnimmt, was umgekehrt als die bei Metallen beobachtete Abhängigkeit war. Er gilt somit in vielen Kreisen als der Entdecker der Halbleiter und Begründer der Halbleitertechnik.[19]
  • Im Mai 1834 entwickelte Moritz Jacobi den ersten rotierenden Elektromotor mit Gleichstrom, der tatsächlich eine bemerkenswerte und brauchbare mechanische Leistung abgab.[14] Er war somit in der Lage das weltweit erste Elektroboot (Das Jacobi-Boot) zu bauen, welches er 1838 mit einer Fahrt auf der Newa in Sankt Petersburg demonstrierte (Mit 0,3 kW 7,5 km 2,5 km/h). 1839 konnte er die mechanische Leistung seines Motors auf 1 kW erhöhten und erreichte mit dem Boot dann Geschwindigkeiten von bis zu 4 km/h.[20]
  • 1834 ermittelte Charles Wheatstone experimentell in England noch relativ ungenau die Stromgeschwindigkeit zu 400 000 km/s, und verifizierte somit die Hypothese von Sir Francis Ronalds, dass die Stromgeschwindigkeit endlich ist.[2]
  • Am 25. Juli 1835 präsentierte James Bowman Lindsay in Dundee eine elektrische Glühbirne, d. h. die weltweit erste elektrische Lichtquelle mit einem Glaskolben.
  • 1835 beschrieb Emil Lenz in einer Formel die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands bei Metallen.[18]
  • 1836 entwickelte Nicholas Callan den ersten Funkeninduktor (engl. induction coil).[21][22]
  • 1837 erhielt Thomas Davenport das weltweit erste Patent auf einen Gleichstrom-Elektromotor.[23] Das Patent hatte er bereits 1835 einreicht und baute im gleichen Jahr, mit dem von ihm entwickelten Elektromotor, ein Mini-Modell eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs auf einem Schienenkreis von vier Fuß Durchmesser. Dies war somit das weltweit erste elektrisch angetriebene Schienenfahrzeug.[24]
  • 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 eingereichten und 1865 veröffentlichten Maxwell-Gleichungen,[26] sind eine der grundlegenden Theorien in der Elektrotechnik. 1935 wurde die CGS-Einheit für den magnetischen Fluss wurde nach ihm benannt.
Moderne Edisonsockel-Glühlampe (2004)
  • Im Dezember 1881 patentierte Edison den Lampensockel bzw. Edisonsockel (US251554A Electric lamp socket or holder).
  • Im September 1882 begann Edison in Manhattan erste Kraftwerke zu errichten, die den Strom für seine Gleichspannungsnetze in der Stadt lieferten.[33] Um die Städte zu elektrifizieren und zu beleuchten musste alle 800 m ein Kraftwerk errichtet werden, da Gleichstrom über weite Strecken zu transportieren und zu verteilen sehr unwirtschaftlich ist. So war bereits klar, dass die Elektrifizierung auf dem Land sehr unwirtschaftlich sein wird.
  • Im Juli 1882 reichte Henry W. Seely das weltweit erste Patent eines elektrischen Bügeleisens ein (US259054A Electric flat iron).[34]
  • 1882 erfanden Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs einen Transformator, den sie am Anfang noch „Sekundär-Generator“ nannten, und entwickelten damit die weltweit erste Wechselstromübertragung. Mit ihrer Erfindung waren sie 1883 in der Lage einen Wechselstrom mit 2000 Volt über eine Versuchsstrecke von 40 km mit geringen Verlusten und kleinen Kupferleiterleiterquerschnitte zu übertragen, und 1884 eine Versuchsstrecke zwischen Turin und Lanzo von 80 km zu ermöglichen. Dies zeigte, dass der Wechselstrom, zu dieser Zeit, wirtschaftlicher transportiert und verteilt werden kann als der von Edison für das Stromnetz favorisierte Gleichstrom. Lampen für den Wechselstrom gab es bereits. Allerdings gab es noch keine brauchbaren Wechselstrommotoren.
  • Am 1. Februar 1883 führte Edison für seine Stromnetze den weltweit ersten Stromzähler ein. Dieser als Edisonzähler bezeichnete Stromzähler konnte nur Gleichströme erfassen.
  • Am 20. März 1886 demonstrierte William Stanley in Great Barrington Massachusetts die erste U.S. amerikanische Wechselspannungsübertragung und Verteilung mittels Generatoren, Transformatoren und einer Hochspannungsleitung über eine Kurzstrecke von mehreren hundert Metern. Er setzte einen weiterentwickelten Transformator ein (US349611A Induction coil). Dies war der erste für kommerzielle Zwecke produzierte Transformator.[28] Im Sommer 1886 testete der Industrielle George Westinghouse in Pittsburgh das gleiche System mit einer Versuchsstrecke von 3 Meilen. Ab diesem Zeitpunkt begann Edisons Propaganda gegen das Wechselstromsystem, dies sollte in den USA als sogenannter Stromkrieg (AC (alternating current) gegen DC (direct current)) und weltweit als erster Formatkrieg in die Geschichte eingehen.
  • Am 12. Oktober 1887 meldete Nikola Tesla einen zweiphasigen Synchron-Wechselstrommotor zum Patent (US381968A Electro-magnetic motor) an. Nach seinen Angaben hatte er das Prinzip bereits 1882 erfunden. Dies war der erste brauchbare Motor für Wechselstrom. Durch diese Erfindung entstand die Bekanntschaft mit Westinghouse der ebenso bereits die großen Vorteile des Wechselstroms erkannte und bereit war alle Patente von Tesla zu kaufen. 1970 wurde die abgeleitete SI-Einheit für die magnetische Flussdichte nach ihm benannt.
  • Am 11. März 1888 veröffentlicht Galileo Ferraris an der Universität seine Forschungsergebnisse zu seinen erfundenen zwei- und mehrphasigen Asynchron-Wechselstrommotoren (Induktionsmotoren). Drehfeldmaschinen wie diese haben den Vorteil, dass sie ohne Schleifringe und Kommutator auskommen. Allerdings schlussfolgerte er in seiner Arbeit fälschlicherweise anhand eines Denkfehlers, dass diese Motoren energieineffizient seien, so dass er die Forschung auf diesem Gebiet einstellte.
  • Am 1. Mai 1888 meldete Tesla den Induktionsmotor (Zweiphasen-Asynchronmotor) zum Patent (US382279A Electro Magnetic Motor) an. Somit gelten Ferraris und Tesla in vielen Kreisen als die Erfinder des Induktionsmotors (Mehrphasigen-Asynchronmaschine). 1893 wurde bei der Weltausstellung World's Columbian Exposition das (Tesla's Egg of Columbus) vorgeführt welches das Prinzip des Induktionsmotor veranschaulichen sollte. Nach Tesla's Aussagen hatte er es bereits 1887 einem New Yorker Investor vorgeführt um Gelder für seine Wechselstromtechnik zu erhalten.
  • 1896 führte Alexander Popow eine drahtlose Signalübertragung über eine Entfernung von 250 m durch. Im Gegensatz zu Marconi verabsäumte Popow aber die Patentierung seiner Erfindung. Das Verdienst der ersten praktischen Nutzung der Funken-Telegrafie stand somit Guglielmo Marconi zu. Nachdem er im Juni 1896 seinen Funken-Telegrafen in Großbritannien zum Patent angemeldet hatte, übertrug Marconi im Mai 1897 ein Morsezeichen über eine Distanz von 5,3 Kilometer.[37] Am 12. Dezember 1901 feiert Marconi seinen großen Triumph: Zum ersten Mal in der Geschichte schickt ein Mensch eine Radiobotschaft quer über den Atlantik. Er sendet per Morsecode den Buchstaben „S“. 1909 erhalten Marconi und Ferdinand Braun für diese Leistung den Nobelpreis. Tesla soll jedoch bereits 1893 solche Funksysteme vorgeführt und in den darauffolgenden Jahren auch mehrere Patente eingereicht haben. Tesla widmete allerdings seine Zeit der Realisierung drahtloser Übertragung von Energie anstatt der Übertragung von Nachrichten. 1943 wurde vom obersten Gerichtshof von Amerika Nikola Tesla als alleinigen Erfinder des Radios anerkannt, denn Marconi verletzte bei seinen Radiofunksystemen 17 von Tesla's Patenten.[38][39]
  • Das Elektron wurde 1897 von Joseph John Thomson als Elementarteilchen erstmals nachgewiesen (er nannte es erst corpuscule). Er gab dann der Elementarladung später den Namen Elektron. 1906 erhielt er dafür den Nobelpreis für Physik.
  • 1897 entwickelte Karl Ferdinand Braun die erste Kathodenstrahlröhre. Verbesserte Varianten kamen zunächst in Oszilloskopen und Jahrzehnte später als Bildröhren in vollelektronischen Fernsehgeräten und Computermonitoren zum Einsatz.

20. Jahrhundert

  • 1925 experimentierte der Elektroingenieur Kenjiro Takayanagi mit Bairds Art der Bildzerlegung, benutzte aber zur Wiedergabe der Bilder eine Elektronenstrahlröhre. 1926 gelang es ihm die weltweit erste vollelektronische Übertragung von Bildern mit Elektronenstrahlröhren auf Sender- und Empfangsseite, d. h. das weltweit erste voll-elektrische Fernsehen, dies vor Philo Farnsworth der ein ähnliches System erst einige Monate später vorführte. Takayanagi bildete das zuvor aufgenommene Katakana-Schriftzeichen auf einer braunschen Röhre ab.[46]
  • 1926 entwickelte der Physiker Hans Busch die theoretische Basis für die Entwicklung des Elektronenmikroskops.
  • Im Oktober 1926 reicht Julius E. Lilienfeld ein gültiges Patent ein (US1745175A Method and apparatus for controlling electric currents[47]) seines erfundenen Feldeffekttransistor, diese konnten aber erst ab 1960 gefertigt werden, als mit dem Silizium/Siliziumdioxid ein Materialsystem zur Verfügung stand. Die verschiedenen Varianten der Feldeffekttransistoren zählen heute zu den wichtigsten Halbleiterbauelementen der modernen Elektronik, Mikroelektronik, Nanoelektronik und Leistungselektronik. Die Feldeffekttransistoren ermöglichen heute u. a. effiziente Umrichter, Stromrichter und Schaltnetzteile, und hohe Integrationsdichten moderner Chips.
  • 1927 begann die Entwicklung des FM-Radios im Bereich des Hörfunks, welcher sich für die Ultrakurzwelle bzw. den UKW-Rundfunk in Europa durchsetzen konnte. Bis 1933 reichte der Elektroingenieur Edwin Howard Armstrong vier Patente ein, die sich mit der Technik der Frequenzmodulation beschäftigten. Weltweit erste kommerzielle FM-Radiostationen entstanden in den USA Ende der 40er Jahre.
  • 1928 folgte durch Baird der erste Farbfernseher und im selben Jahr gelang ihm die erste transatlantische Fernsehübertragung (Fernsehtechnik mit mechanischer Bildzerlegung) von London nach New York.
  • Am 24. Dezember 1929 patentierte der Siemens-Oberingenieur Wilhelm Klement die weltweit erste Schutzkontaktsteckdose (Patent DRP 567906). Ein dritter Pol, der Schutzkontakt, soll Fehlerströme ableiten. Heute ist es Standard in fast 40 Ländern der Erde.[48]
  • 1931 bauten die Elektroingenieure Ernst Ruska und Max Knoll das weltweit erste Elektronenmikroskop. Für diese Arbeit erhielt Ruska 1986 den Physik-Nobelpreis.
  • 1941 stellte der Ingenieur Konrad Zuse den weltweit ersten funktionsfähigen Computer, den Z3, fertig, es war der erste elektromechanische Computer. Im Jahr 1946 folgt der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly, der erste vollelektronische und frei programmierbare Computer. Die erste Phase des Computerzeitalters begann. Die seitdem zur Verfügung stehende Rechenleistung ermöglicht es Ingenieuren und der Gesellschaft, völlig neue Technologien und Anwendungen zu entwickeln und Leistungen zu vollbringen, wie beispielsweise 1969 die Mondlandung im Rahmen des Apollo-Programms der NASA.
  • 1945 findet der Ingenieur Percy Spencer durch Zufall heraus, dass man mit Mikrowellen Speisen erwärmen kann, und baut 1946 den weltweit ersten Mikrowellenherd.
Nachbau des ersten Transistors von (1947)
  • Im Juli 1959 meldete Robert Noyce den weltweit ersten echt monolithischen, d. h. aus bzw. in einem einzigen einkristallinen Substrat gefertigten, integrierten Schaltkreis zum Patent an. Das Entscheidende an dem Patent von Noyce war die komplette Fertigung der Bauelemente einschließlich Verdrahtung auf einem Substrat. Seine Arbeit basierte auf den von Jean Hoerni entwickelten Planarprozess. R. Noyce, J. Hoerni, J. Kilby und W. Jacobi gelten somit als Erfinder des Mikrochips. 1987 erhielt Noyce dafür die National Medal of Technology and Innovation. Er wurde bei der Verleihung des Nobelpreises an Jack Kilby nicht mitberücksichtigt, weil er zum Zeitpunkt der Verleihung bereits verstorben war.
  • 1960 patentierte Karl Kordesch die Alkali-Mangan-Zelle, welche bis heute noch zu den wichtigsten elektrochemischen Energiespeichern zählt.
  • Im Mai 1960 entwickelte der Physiker Theodore Maiman, Sohn eines Elektrotechnikers, mit seinem Assistenten den weltweit ersten funktionstüchtigen Laser, den Rubinlaser.[16]
  • Im Februar 1961 schlug die Idee der digitalen Fotografie beispielsweise der Digitalkamera vor, mit einer mosaischen Anordnung von Fotodetektoren das analog-optische Abbild der Brennebene der Kamera in den Digitalbereich umzuwandeln, allerdings war sein Konzept seiner Zeit weit voraus und technisch noch nicht realisierbar.[54]
  • Im August 1961 reichten Gerhard Sessler und James E. West das Patent (US3118979A Electrostatic transducer[55]) des Elektretmikrofon ein, und gelten somit als Erfinder. Es ist das damals bis heute am häufigsten produzierte Mikrofon weltweit. Es ist z. B. Bestandteil von Handys und Kassettenrekordern.
  • Im September 1961 erfindet der Elektroingenieur bei TRW die TTL-Technik (US3283170A Coupling transistor logic and other circuits), welche in den 1970er und 1980er die dominante Digitaltechnik war[56] und auch heute noch ein Standard ist.
  • Am 10. Juli 1962 brachten die USA Telstar 1 den weltweit ersten zivilen Kommunikationssatelliten in den Weltraum.
  • 1968 erfand der Elektroingenieur Marcian Edward Hoff, bekannt als Ted Hoff, bei der Firma Intel den Mikroprozessor und läutete damit die Ära des Personal Computers (PC) ein. Zugrunde lag Hoffs Erfindung ein Auftrag einer japanischen Firma für einen Desktop-Rechner, den er möglichst preisgünstig realisieren wollte. Die erste kommerzielle Realisierung eines Mikroprozessors entwickelte 1971 Federico Faggin fast im Alleingang, den 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.
  • Im September 1968 wurden von , und das erste Patent (US3540011A All solid state radiation imagers) für den ersten realisierbaren Bildsensor beantragt, der optische Bilder durch den Einsatz von Halbleiterbauelementen aufnehmen kann, und damit das erste praktische Konzept der Aufzeichnung von Standbildern durch das Digitalisieren von Signalen eines diskreten Sensorelements darstellte.[54]
  • Am 18. Oktober 1969 wurde von Willard Boyle und George Smith die Basis des CCD-Bildsensors (charge-coupled device) erfunden, und dafür 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.[54] Diese Basis führte in den 1980er und 1990er zur Entwicklung eines erweiterten sehr erfolgreichen Bildsensortyp, dem CMOS-Bildsensor. Beide Technologien haben ihre Vor- und Nachteile.
  • Das Internet begann am 29. Oktober 1969 als Arpanet. Es wurde zur Vernetzung der Großrechner von Universitäten und Forschungseinrichtungen genutzt. Das Internet wird auf elektrotechnischen Geräten und Leitungen betrieben.
  • Im Mai 1970 präsentierte die amerikanische Uhrenmarke Hamilton die weltweit erste vollelektronische Armbanduhr, die ohne bewegliche Teile auskommt. Im April 1971 ging diese mit dem Namen Pulsar in Serienproduktion.[64]
  • 1970 produzierte und entwickelte Corning Inc. den ersten Lichtwellenleiter, der in der Lage war, Signale auch über eine längere Strecke ohne größere Verluste zu übertragen. Dies war ein revolutionärer Schritt und ermöglichte den wirtschaftlichen Aufbau von Glasfasernetzen.[16]
  • Im Juni 1971 reichten und das erste Patent für eine Digitalkamera ein. Im Oktober 1971 erfanden und bauten vom MIT und James A. Westphal von CalTech die weltweit erste benutzbare Digitalkamera. Ihre Kamera hatte 256 × 256 Pixel (0,065 Megapixel) welche digitale 8-Bit-Bilddaten in ungefähr 4 Sekunden auf einer 9-spurigen elektronisch-magnetisch Digitalkassette abspeicherte.[54]
  • 1983 brachten zusammen mit dem Chefdesigner Rudy Krolopp und dem Elektroingenieur Martin Cooper die Firma Motorola das weltweit erste in Serie produzierte Mobiltelefon („Taschentelefon“) das DynaTAC 8000X auf den Markt. Schon ein Jahr später (1984) besaßen 300.000 Menschen den Urvater des modernen Mobiltelefons.
  • 1984 veröffentlichte der Elektroingenieur Fujio Masuoka als Erfinder[70] mit der Firma Toshiba den weltweit ersten NAND-Flash-Speicher und 1988 Intel den weltweit ersten kommerziellen NOR-Flash-Speicher.[71][72] Im Jahr 1985 wurde die erste flash basierte Solid State Disk (kurz SSD) in einen IBM Personal Computer eingebaut.
  • 1986 wurde mit D-1 der weltweit erste Standard für digitale Videoaufzeichnung festgelegt und 1987 brachte der Elektronikkonzern Sony die weltweit erste Kamera (DVR-1000) mit D-1 auf den Markt.[73]
  • 1988 entstand mit das erste transatlantische Glasfasernetz.[16] TAT-8 ermöglichte 280 Mbit/s (40.000 Telefonverbindungen gleichzeitig).
  • 1990 wurde mit GSM („2G“) der weltweit erste Mobilfunkstandard für volldigitale Mobilfunknetze eingeführt.
  • 1990 wurden (in den USA) von der ASTC die weltweit ersten Standards für digitales Fernsehen festgelegt.
  • 1991 erschien der erste Lithium-Ionen-Akku auf dem Markt.
  • Anfang der 1990er erfanden die Elektroingenieure Isamu Akasaki und Hiroshi Amano die superhelle effiziente LED (in Grün, Rot und Gelb) auf der GaN-Basis.[74] 1993 wurden die ersten Prototypen vorgestellt. 1994 erfand der Elektroingenieur Shuji Nakamura die superhelle effiziente blaue LED auf der GaN-Basis welche schnell zur Weiterentwicklung der superhellen weißen LED führte.[75] Von nun an war es möglich mit Leuchtdioden superhelle weiße Lampen zu bauen und ab 2002 die Blu-ray zu entwickeln. Für diese Entwicklung wurden alle drei 2014 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.[76]
  • 1994 wurden von der DVB erste Standards für digitales Fernsehen in Europa festgelegt.
  • 1994 wurde das weltweit erste Digitalfernsehen kommerziell per Satellit unter dem Markennamen DirecTV in den USA angeboten.
  • Am 15. Januar 1996 erschien die Spezifikation der ersten Variante des Universal Serial Bus (USB 1.0).[77]
Honda P2 (2008)
  • Im Dezember 1996 präsentierte 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. Einer der zurzeit modernsten humanoide Roboter ist Atlas. Neben vielen elektronischen und elektrotechnischen Komponenten bestehen humanoide Roboter auch wesentlich aus mechanischen Komponenten, deren Zusammenspiel man als Mechatronik bezeichnet.
  • 1999 wurden mit dem National Electrical Code in den USA Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen (Brandschutzschalter) gefordert oder empfohlen[78], mit dem Canadian Electrical Code zog Kanada 2002[79], mit der DIN VDE 0100-420 Deutschland 2016 nach.[80] Der elektronische Schutzschalter wird in Sicherungs- und Verteilerkästen eingebaut. Untersuchungen des IFS zeigten, dass in Deutschland zwischen 2002 und 2019 Elektrizität mit 32 % die häufigste Brandursache war bei erheblichen Schäden an Gebäuden.[81] Erste Patente sind von , EU-Patent EP0653073B1[82] 1992, oder Square D, EU-Patent EP0820651B1[83] 1997.

21. Jahrhundert

Entwicklung mobiler Netzwerke (2017)

Ausbildung, Fortbildung und Studium

Ausbildungsberufe

Fortbildung

Eine Fortbildung zum Elektromeister findet an einer Meisterschule statt und dauert 1 Jahr Vollzeit bzw. 2 Jahre berufsbegleitend.

Eine Fortbildung zum Elektrotechniker kann an einer Technikerschule in zwei Jahren Vollzeit bzw. vier Jahren berufsbegleitend absolviert werden. Im Ausland, wie zum Beispiel in Frankreich, kann an einer Technikerschule nach der Fortbildung zum Elektrotechniker ein höherer Technikerabschluss (französisch Brevet de technicien supérieur) in zwei weiteren Jahren Vollzeit an einer Technikerschule absolviert werden.

Studienfach

Der Studiengang Elektrotechnik wurde weltweit erstmals im Januar 1883 an der Technischen Hochschule Darmstadt von Erasmus Kittler eingerichtet. Der Studienplan sah ein vierjähriges Studium mit Abschlussprüfung (zum Diplom-Elektrotechnikingenieur) vor.[90][91]

Elektrotechnik wird mittlerweile an vielen Universitäten, Fachhochschulen und Berufsakademien als Studiengang angeboten. An Universitäten wird während des Studiums die wissenschaftliche Arbeit betont, an Fachhochschulen und Berufsakademien steht die Anwendung physikalischer Kenntnisse im Vordergrund.

Grundlagenstudium

Die ersten Semester eines Elektrotechnik-Studiums sind durch die Lehrveranstaltungen Grundlagen der Elektrotechnik, Physik und Höhere Mathematik geprägt. In den Lehrveranstaltungen Grundlagen der Elektrotechnik werden die physikalischen Grundlagen der Elektrotechnik vermittelt. Diese Elektrizitätslehre umfasst die Themen:

Weitere Grundlagenfächer sind Elektrische Messtechnik, Digitaltechnik, Elektronik sowie Netzwerk- und Systemtheorie. Aufgrund der Interdisziplinarität und der engen Verflechtung mit der Informatik ist auch Programmierung Teil eines Elektrotechnik-Studiums. Belegen die Programmierung und die Informationstechnik einen großen Anteil im Stundenplan wird das Studium sehr oft Elektro- und Informationstechnik genannt.

Vertiefungsrichtung bzw. Spezialisierung

In den höheren Semestern des Bachelor- und Masterstudiums können Schwerpunkte gesetzt werden. In manchen Studiengängen sind Vertiefungsfächer aus einem breiten Katalog frei wählbar oder die Vertiefungsrichtung ist wählbar oder bereits festgelegt. Als Vertiefungsfächer bzw. Vertiefungsrichtung finden sich klassisch beispielsweise die Elektrische Energietechnik, Nachrichtentechnik, Elektronik, Automatisierungstechnik und Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR), Antriebstechnik. Neuartige Spezialisierungen sind beispielsweise und Mikroelektronik, Erneuerbare Energien, Technische Gebäudeausrüstung (TGA), Medizintechnik.

Studiengänge die in einer Kombination zweier in der Praxis sehr nahestehenden Vertiefungsrichtungen spezialisieren werden ebenfalls angeboten, wie beispielsweise Energie- und Automatisierungstechnik, Energie- und Antriebstechnik, Nachrichtentechnik und Elektronische Systeme, Medizintechnik und Elektronische Systeme, Energietechnik und Erneuerbare Energien.

Interdisziplinäre Pflicht- und Wahlpflichtfächer

Da der Beruf des Elektroingenieurs sehr oft auch interdisziplinäre Kenntnisse erfordert, so müssen, je nach Hochschule, auch Pflicht- und Wahlpflichtfächer wie beispielsweise Werkstoffkunde, Betriebswirtschaftslehre, Englisch, Technische Mechanik, Technisches Zeichnen, Patentrecht, Arbeitsschutz, Arbeitsrecht, Kommunikation bestanden werden.

Akademische Titel

Der jahrzehntelang von den Hochschulen verliehene akademische Grad Diplom-Ingenieur (Dipl.-Ing. bzw. Dipl.-Ing. (FH)) wurde aufgrund des Bologna-Prozesses durch ein zweistufiges System berufsqualifizierender Studienabschlüsse (typischerweise in der Form von Bachelor und Master) größtenteils ersetzt. Der Bachelor (Bachelor of Engineering oder Bachelor of Science) ist ein erster berufsqualifizierender akademischer Grad, der je nach Prüfungsordnung des jeweiligen Fachbereichs nach einer Studienzeit von 6 bzw. 7 Semestern erworben werden kann. Dieser erste akademische Grad befähigt den rechtlich geschützten Titel „Ingenieur“ oder „Elektroingenieur“ tragen zu dürfen.[92][93] Nach einer weiteren Studienzeit von 4 bzw. 3 Semestern kann der Master als zweiter akademischer Grad (Master of Engineering oder Master of Science) erlangt werden.

Der Doktoringenieur (Dr.-Ing.) ist der höchste akademische Grad, der im Anschluss an ein abgeschlossenes Masterstudium im Rahmen einer Assistenzpromotion oder in einer Graduate School erreicht werden kann. Die Ingenieur-Ehrendoktorwürde (Dr.-Ing. E. h.) kann von Universitäten für besondere akademische oder wissenschaftliche Verdienste an Akademiker oder Nichtakademiker verliehen werden, beispielsweise 1911 von der Technischen Universität Darmstadt an Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski.

Weitere im Ausland anerkannte akademische Titel

Neben den Hochschulabschlüssen Bachelor, Master und Ph.D, sind in den USA, Kanada, Australien, Hongkong und Niederlande noch das Hochschulstudium Associate Degree mit einer Regelstudienzeit von zwei Jahren anerkannt, wie zum Beispiel im Bereich Elektrotechnik das AET oder der erworbene Titel Electrical Engineering technician (franz. Ingénieur-technicien en électrotechnique). Das Associate-Degree gilt in den gelisteten Ländern als akademischer Grad, ist aber in anderen Ländern, besonders in Europa, meistens nicht als Hochschulabschluss bzw. akademischer Grad anerkannt.

Lehramt

An einigen Hochschulen kann der Bachelor-Studiengang Elektro- und Informationstechnik in sieben Semestern mit anschließendem dreisemestrigem Master-Studiengang Master für Berufliche Bildung studiert werden. Mit diesem Master-Abschluss und nach weiteren 1,5 Jahren Referendariatszeit besteht die Möglichkeit, eine berufliche Tätigkeit als Gewerbelehrer (höherer Dienst) an einer Berufsschule zu finden.

Interdisziplinäres Studium

Studien die Elektrotechnik mit einer oder mehreren Fachdisziplinen kombinieren gibt es. Die Studien Maschinenbau-Elektrotechnik, Mechatronik, Robotik, Versorgungstechnik und Wirtschaftsingenieurwesen-Elektrotechnik können hier als klassische Beispiele genannt werden.

Organisationen

International

Europäisch

Deutschland

Verbände

International

  • Der größte Berufsverband für Elektrotechnik weltweit ist das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Er zählt über 420.000 Mitglieder und publiziert Zeitschriften auf allen relevanten Fachgebieten in Englisch. Seit 2008 gab 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 History) festgehalten werden können. Solche Erinnerungsberichte von Schweizer Elektroingenieuren können als Beispiele eingesehen werden.[94][95] Seit Anfang 2015 hat sich der IEEE GHN einer erweiterten Organisation Engineering and Technology History Wiki angeschlossen, welche weitere Fachbereiche des Ingenieurwesens umfasst.

Deutschland

  • Der Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) vertritt die Interessen von Unternehmen aus den drei Handwerken Elektrotechnik, Informationstechnik und Elektromaschinenbau. ZVEH-Mitglied waren im Jahr 2014 55.579 Unternehmen, die 473.304 Arbeitnehmer, davon rund 38.800 Auszubildende, beschäftigten. Dem ZVEH als Bundesinnungsverband gehören zwölf Fach- und Landesinnungsverbände mit insgesamt etwa 330 Innungen an.
  • Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI) setzt sich für die Interessen der Elektroindustrie in Deutschland und auf internationaler Ebene ein. ZVEI-Mitglied sind mehr als 1.600 Unternehmen, in denen im Jahr 2014 etwa 844.000 Beschäftigte in Deutschland tätig waren. Als ZVEI-Untergliederungen finden sich derzeit 22 Fachverbände.

Österreich

Schweiz

Auszeichnungen, Preise und Ehrungen

International

  • Die IEEE Medal of Honor ist die höchste Auszeichnung des IEEE, welche im Bereich Informations- und Elektrotechnik für außergewöhnliche Arbeiten und Karrieren seit 1917 jährlich vergeben wird.
  • Der Kyoto-Preis ist eine jährlich verliehene Auszeichnung für überragende Leistungen in Wissenschaft und Kunst. Neben dem Nobelpreis handelt es sich um eine der höchsten Auszeichnungen in Wissenschaft und Kultur. Eine der Disziplinen innerhalb der Kategorie Hochtechnologie ist die Elektrotechnik und Elektronik.

Deutschland

  • Der VDE-Ehrenring ist die höchste Auszeichnung des VDE, für hervorragende wissenschaftliche oder technische Leistungen auf dem Gebiet der Elektrotechnik.[96][97]

Siehe auch

Portal: Elektrotechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Elektrotechnik
Portal: Mikroelektronik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Mikroelektronik

Literatur

  • Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.2, Digitaltechnik. Elektor-Verlag, 1996, ISBN 3-89576-025-0.
  • Eugen Philippow, Karl Walter Bonfig (Bearb.): Grundlagen der Elektrotechnik. 10. Auflage . Verlag Technik, Berlin 2000, ISBN 3-341-01241-9.
  • Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.1, Analogtechnik. Elektor-Verlag, 2002, ISBN 3-89576-024-2.
  • : 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. Auflage. Wiebelsheim 2005, ISBN 3-89104-687-1.
  • Helmut Lindner, Harry Brauer, Constanz Lehmann: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik. 9. Auflage. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/München 2008, ISBN 978-3-446-41458-7.
  • Siegfried Altmann, Detlef Schlayer: Lehr- und Übungsbuch Elektrotechnik. 4. Auflage. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/München 2008, ISBN 978-3-446-41426-6.
  • Wolfgang König: Technikwissenschaften. Die Entstehung der Elektrotechnik aus Industrie und Wissenschaft zwischen 1880 und 1914. G + B Verlag Fakultas, Chur 1995, ISBN 3-7186-5755-4 (Softcover).
  • Henning Boëtius: Geschichte der Elektrizität erzählt von Henning Boëtius. 1. Auflage, Beltz & Gelberg, ISBN 978-3-407-75326-7.
  • Siegfried Buchhaupt: Technik und Wissenschaft: Das Beispiel der Elektrotechnik. In: Technikgeschichte. Band 65, H. 3, 1998, S. 179–206.

Weblinks

Wiktionary: Elektrotechnik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Formelsammlung Elektrotechnik – Lern- und Lehrmaterialien
Wikibooks: Formelsammlung Elektrizitätslehre – Lern- und Lehrmaterialien
Wikibooks: Regal:Elektrotechnik – Lern- und Lehrmaterialien
Wikisource: Elektrotechnik (1914) – Quellen und Volltexte

Videos

Einzelnachweise

  1. William Gilbert: Tractatvs Siue Physiologia Nova De Magnete, Magneticisqve Corporibvs Et Magno Magnete tellure. Sex libris comprehensus. Online-Angebot der Herzog August Bibliothek Wolfenbüttel (http://diglib.hab.de/drucke/nc-4f-46/start.htm).
  2. a b c d e f g h i j k l m u. a. Runde Andreas: Physikalische Grundlagen. In: Chronik der Elektrotechnik vom VDE-Verlag. VDE, 3. April 2017, abgerufen am 8. Mai 2020.
  3. Elektrische Leitfähigkeit. Universität Ulm, abgerufen am 29. März 2019.
  4. u. a. Runde Andreas: Kapitel Blitze. In: Chronik der Elektrotechnik. VDE-Verlag, 3. April 2017, abgerufen am 10. Mai 2020.
  5. Konrad Reichert und u. a.: Elektromotor und elektrische Antriebe. In: Chronik der Elektrotechnik. VDE, 2016, abgerufen am 10. Mai 2020.
  6. Elektrostatische Anwendung: Telegrafie. Universität Ulm, abgerufen am 29. März 2019.
  7. Georg Christoph Lichtenberg (1742 bis 1799). Georg-August-Universität Göttingen, abgerufen am 29. März 2019.
  8. Er wußte plus und minus zu vereinen. In: rhetorik-netz.de. Abgerufen am 29. März 2019.
  9. 2. Mai 1800. In: funkzentrum.de. Abgerufen am 25. März 2019.
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