Elektrotechnik

Gegenstand und Bedeutung

Elektrotechnik ist eine Ingenieurwissenschaft. Sie erforscht und entwickelt Elektrogeräte und elektrische Anlagen und befasst sich außerdem mit deren Produktion, Zusammenbau und Instandhaltung. Diese Systeme beruhen zumindest teilweise auf elektrischer Energie. Dazu zählen Wandler, elektrische Maschinen, elektronische Bauelemente und Schaltungen sowie Anwendungen der Steuerungs-, Mess-, Regelungs-, Nachrichten-, Geräte-, Rechner-, Installations- und Energietechnik bis hin zur technischen Informatik.

Elektrizität eignet sich besonders zur Übertragung von Energie und Informationen sowie zur Ein- und Ausgabe, Verarbeitung und Speicherung von Informationen. Deshalb ist Elektrotechnik für nahezu alle Bereiche der modernen Zivilisation wichtig. Ihre traditionelle Einteilung unterscheidet Starkstromtechnik, aus der insbesondere Energietechnik und Antriebstechnik hervorgingen, und Schwachstromtechnik, aus der sich die Nachrichtentechnik entwickelte. Hinzu kamen Messtechnik, Automatisierungstechnik und Elektronik. Die Grenzen zwischen diesen Gebieten sind fließend: Fachkräfte spezialisieren sich häufig, benötigen aber Kenntnisse aus mehreren Bereichen.

Zentrale Fachgebiete

Die theoretische Elektrotechnik verbindet die Elektrotechnik mit der physikalischen Elektrizitätslehre. Die Schaltungstheorie untersucht Schaltungen aus passiven Bauelementen. Weitere Grundlagen sind Elektrostatik und Elektrodynamik. Zur Elektrodynamik gehören die auf den Maxwell-Gleichungen und der Lorentzkraft beruhenden Theorien der Felder und Wellen. Quantenelektrodynamik und elektroschwache Wechselwirkung sind dagegen vor allem für die Grundlagenforschung und kaum für die praktische Elektrotechnik bedeutsam.

Die elektrische Energietechnik, früher Starkstromtechnik genannt, behandelt Gewinnung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie mit hoher Leistung sowie Hochspannungstechnik. Generatoren wandeln meist mechanisch-rotatorische Energie in elektrische Energie um. Wichtige Teilgebiete sind Energieverteilung, Kraftwerkstechnik, elektrische Maschinen, Leistungselektronik, Netzschutz, Energiewirtschaft, Smart Grids, erneuerbare Energien und Energiespeicher. Elektroinstallationen verteilen Energie im Niederspannungsbereich, etwa in Haushalten.

Die elektrische Antriebstechnik wandelt elektrische Energie durch elektrische Maschinen in mechanische Energie um. Zu den klassischen Maschinen gehören Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommaschinen. Linearmotoren erzeugen unmittelbar eine geradlinige Bewegung. Elektronische Steuerungen, Regelungen, Frequenzumrichter und andere Bauteile der Leistungselektronik ermöglichen flexible und energieoptimierte Antriebe. Elektrische Antriebe sind besonders für automatisierte Bewegungsabläufe wichtig.

Die Nachrichtentechnik überträgt Signale über Leitungen oder elektromagnetische Wellen von einem Sender zu einem oder mehreren Empfängern. Ziel ist eine so verlustarme Übertragung, dass die Information erkennbar bleibt. Wesentliche Verfahren der Signalverarbeitung sind Filterung, Kodierung und Dekodierung. Teilgebiete sind unter anderem Informationstheorie, Datenkompression, digitale Signalverarbeitung, Hochfrequenz-, Antennen-, Funk-, Mobilfunk-, Satelliten- und Radartechnik, Rechnernetze und elektromagnetische Verträglichkeit.

Elektronik befasst sich mit Entwicklung, Fertigung und Anwendung elektronischer Bauelemente, darunter Spulen, Dioden und Transistoren. Schaltungen werden häufig auf bestückten Leiterplatten verwirklicht. Digitaltechnik bildet sowohl einen Teil der Elektronik als auch eine Grundlage automatischer Steuerungen. Mikroelektronik entwickelt und fertigt integrierte Schaltkreise. Bei Strukturgrößen unter 100 Nanometern wird formal von Nanoelektronik gesprochen. Wichtige Arbeitsfelder sind Analog- und Digitaltechnik, Mikroprozessoren, Mikrocontroller, eingebettete Systeme, Leiterplatten- und Chipentwurf sowie Halbleiter- und Leistungselektronik.

Automatisierungstechnik automatisiert und überwacht Prozesse mit Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, kurz MSR-Technik. Eine Regelung beeinflusst ein System fortlaufend anhand gemessener Größen. Beispiele sind Industrieroboter, Autopiloten, Motordrehzahlregelungen, das elektronische Stabilitätsprogramm im Auto, Raketenlageregelungen und Chemieanlagen. Im Alltag regeln entsprechende Systeme etwa Bügeleisen, Kühlschränke, Waschmaschinen und Kaffeeautomaten.

Weitere Anwendungen

Die Gebäudetechnik, auch Technische Gebäudeausrüstung oder Versorgungstechnik mit Schwerpunkt Elektrotechnik genannt, verbindet Energieversorgung, Kommunikation, Automation und Sicherheit. Elektroinstallationen verteilen Strom und erschließen Klingeln, Sprechanlagen, Telefon-, Fernseh-, Satelliten- und Datennetze. Neben Leitungen werden Funktechniken wie DECT und WLAN eingesetzt. Gebäudeautomation optimiert mithilfe der MSR-Technik den Verbrauch elektrischer und thermischer Energie, beispielsweise für Beleuchtung, Klima und Lüftung.

Die Medizintechnik verbindet elektrotechnische Verfahren mit medizinischen Anwendungen. Genannt werden Myoelektrik, künstliche Organe, Roboterprothesen, Bioprinter, Hochfrequenz-, Laser- und Roboterchirurgie, Röntgen, Sonografie, Magnetresonanztomographie, optische Kohärenztomografie, Nuklearmedizin, Herz-Lungen-Maschinen, Dialysegeräte und Krankenhaustechnik.

Die elektronische Gerätetechnik entwickelt und fertigt elektronische Baugruppen und Geräte. Sie umfasst den Entwurf und die konstruktive Gestaltung von Verdrahtungsträgern, Baugruppen und vollständigen Geräten und nutzt Halbleiter- und Rechnertechnik. Anwendungen sind Computerhardware, Haushaltsgeräte, medizinische Geräte, Informationstechnik und Unterhaltungselektronik.

Entwicklung der Elektrotechnik

Elektrische Erscheinungen waren bereits im Altertum bekannt: Um 2750 v. Chr. kannte man in Ägypten elektrisch aktive Fische; um 550 v. Chr. wurde Thales von Milet die Beobachtung zugeschrieben, dass geriebener Bernstein sich elektrostatisch auflädt. Ab dem 17. Jahrhundert entstanden Mess- und Erzeugungsgeräte: William Gilbert unterschied 1600 Magnetismus und Reibungselektrizität, Otto von Guericke baute 1663 eine Elektrisiermaschine. Im 18. Jahrhundert folgten die Unterscheidung von Leitern und Nichtleitern durch Stephen Gray, die positiven und negativen Ladungsarten durch Charles du Fay, die Leidener Flasche als früher Kondensator von 1745, Franklins Blitzableiter von 1752 und Coulombs Gesetz von 1785.

Im 19. Jahrhundert wurde Elektrizität technisch nutzbar. Alessandro Voltas Säule um 1800 lieferte erstmals kontinuierlich Spannung. Ørsted und Ampère zeigten 1820 die Verbindung von elektrischem Strom und Magnetismus. Georg Simon Ohm formulierte 1826 den Zusammenhang I = U/R. Faraday und Joseph Henry entdeckten 1831 unabhängig die elektromagnetische Induktion. Generatoren, Elektromotoren, Relais, Telegraphen, Telefone und elektrische Lampen entwickelten sich rasch; Kirchhoff formulierte 1845 grundlegende Schaltungsregeln. Maxwells 1864 eingereichte und 1865 veröffentlichte Gleichungen fassten den Elektromagnetismus mathematisch zusammen. Werner Siemens entwickelte 1866 leistungsfähige Gleichstromgeneratoren für industrielle Zwecke. Heinrich Hertz wies 1886 elektromagnetische Wellen experimentell nach.

Für die Energieversorgung setzte sich gegen Ende des Jahrhunderts der Wechselstrom durch. Tesla, Galileo Ferraris und Michail von Dolivo-Dobrowolsky entwickelten brauchbare Mehrphasenmotoren; Dolivo-Dobrowolsky schuf 1888 die Drehstrommaschinen und 1889 einen Drehstromtransformator. Die Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt von 1891 führte über 175 km bei 25 kV. Die Hochspannungsleitung von den Niagarafällen nach Buffalo beendete 1896 den sogenannten Stromkrieg zugunsten des Wechselstroms. Gleichzeitig schufen Telegraphie, Telefon und Funk die Grundlagen moderner Kommunikation.

Das 20. Jahrhundert brachte Schutztechnik, Elektronik, Computer und digitale Kommunikation hervor. Zu den wichtigen Schritten zählen Fehlerstromschutzschalter von 1903, Elektronenröhre und Audion ab 1906, PID-Regelung ab 1911, Sicherungsautomat von 1924, elektronisches Fernsehen in den 1920er Jahren und der Feldeffekttransistor, der 1926 patentiert, aber erst ab 1960 gefertigt wurde. Der Z3 von 1941 war der erste funktionsfähige elektromechanische Computer; 1946 folgte der vollelektronische, frei programmierbare ENIAC. Der Bipolartransistor von 1947 ermöglichte kompakte Geräte. Integrierte Schaltkreise von Jack Kilby und Robert Noyce leiteten ab 1957/1959 die Mikroelektronik ein. Es folgten Industrieroboter, Laser, sichtbare LEDs, CMOS-Technik, RAM und DRAM, Mikroprozessoren, Glasfasern, Digitalkameras, Ethernet, Mobiltelefone, Mikrocontroller sowie Flash-Speicher. GSM wurde 1990 der erste Standard für volldigitale Mobilfunknetze; USB, WLAN und Bluetooth folgten in den 1990er Jahren.

Im 21. Jahrhundert wurden digitale Vernetzung, Nanoelektronik und leistungsfähige Energieübertragung weiter ausgebaut. 2002 unterschritt die Massenproduktion integrierter Schaltungen mit 90-nm-DRAM die 100-Nanometer-Grenze. Weiße LEDs verbreiteten sich seit 2002 und galten 2019 als meistverwendetes Beleuchtungsmittel. LTE-Netze starteten 2009 mit bis zu 300 Mbit/s, LTE-A erreichte ab 2014 bis zu 1 Gbit/s. 2018 nahm China eine 1100-kV-Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung über 3.284 km mit bis zu 12 Gigawatt in Betrieb. 2019 starteten in Südkorea flächendeckende kommerzielle 5G-Netze mit bis zu 20 Gbit/s und Latenzen von 0,5 bis 4 ms.

Ausbildung und Studium

Eine Fortbildung zum Elektromeister dauert an einer Meisterschule ein Jahr in Vollzeit oder zwei Jahre berufsbegleitend. Die Fortbildung zum Elektrotechniker dauert zwei Jahre in Vollzeit oder vier Jahre berufsbegleitend.

Den weltweit ersten Elektrotechnik-Studiengang richtete Erasmus Kittler im Januar 1883 an der Technischen Hochschule Darmstadt ein. Heute betonen Universitäten stärker wissenschaftliches Arbeiten, Fachhochschulen stärker die Anwendung physikalischer Kenntnisse. Im Wintersemester 2020/2021 waren in Deutschland 66.255 Personen im Fach Elektrotechnik/Elektronik eingeschrieben; 2020 lag es nach Studierendenzahl auf Platz 12.

Im Grundlagenstudium werden Elektrotechnik, Physik und Höhere Mathematik behandelt. Fachliche Grundlagen sind Gleichstromtechnik mit Spannung, Strom, Widerstand, Kirchhoffschen Sätzen, Arbeit und Leistung; Wechselstromtechnik mit komplexer Rechnung, Wirk- und Blindleistung und Schwingkreisen; Mehrphasenwechselstrom und Dreiphasensysteme; Elektrostatik mit Ladung, Kapazität und Coulombschem Gesetz; sowie Elektrodynamik mit Induktion und Maxwell-Gleichungen. Hinzu kommen Messtechnik, Digitaltechnik, Elektronik, Netzwerk- und Systemtheorie sowie Programmierung.

In höheren Bachelor- und Mastersemestern sind Vertiefungen wie Energietechnik, Nachrichtentechnik, Elektronik, Automatisierungs- und Antriebstechnik, MSR-Technik, Mikroelektronik, erneuerbare Energien, Gebäudetechnik oder Medizintechnik möglich. Interdisziplinäre Fächer können Werkstoffkunde, Betriebswirtschaft, Englisch, Mechanik, technisches Zeichnen, Patentrecht, Arbeitsschutz, Arbeitsrecht und Kommunikation sein. Kombinierte Studiengänge sind beispielsweise Mechatronik, Robotik, Versorgungstechnik und Wirtschaftsingenieurwesen-Elektrotechnik.

Der frühere Diplom-Ingenieur wurde durch den Bologna-Prozess größtenteils durch Bachelor und Master ersetzt. Ein Bachelor of Engineering oder Bachelor of Science dauert gewöhnlich sechs oder sieben Semester und berechtigt zum Führen des geschützten Titels „Ingenieur“ oder „Elektroingenieur“. Der Master of Engineering oder Master of Science benötigt weitere vier beziehungsweise drei Semester. Der Dr.-Ing. ist der höchste akademische Grad. Ein Lehramtsweg kann aus sieben Bachelorsemestern, drei Mastersemestern für Berufliche Bildung und 1,5 Jahren Referendariat bestehen.

Organisation, Normung und Sicherheit

Internationale und nationale Organisationen erarbeiten Normen und vertreten Fachinteressen. Dazu gehören die International Electrotechnical Commission (IEC), auf europäischer Ebene CENELEC und ETSI sowie in Deutschland die DKE. Der weltweit größte Berufsverband ist das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) mit über 420.000 Mitgliedern. Der deutsche VDE hat etwa 35.000 Mitglieder und engagiert sich unter anderem für Sicherheitsstandards und Ingenieurausbildung. Weitere Verbände sind ZVEH und ZVEI in Deutschland, OVE in Österreich und Electrosuisse in der Schweiz. Bedeutende Auszeichnungen sind die IEEE Medal of Honor, der Kyoto-Preis und der VDE-Ehrenring.

Elektrischer Strom kann schwere oder tödliche Unfälle verursachen. Der erste dokumentierte schwere, aber nicht tödliche Arbeitsunfall durch künstlich erzeugte Elektrizität ereignete sich 1746, der erste dokumentierte tödliche Stromunfall 1879. Nach Angaben der DGUV werden jährlich etwa 3.500 bis 4.000 Stromunfälle gemeldet; bis zu zehn enden tödlich. Rund 88 % geschehen im Niederspannungsbereich. 48,2 % der Betroffenen bringen Berufserfahrung als Elektrofachkraft mit; 25,9 % der Unfälle von Elektrofachkräften entstanden durch Verstöße gegen die fünf Sicherheitsregeln.

Die VDE-Statistik von 2022 beschreibt einen langfristigen Sicherheitsgewinn: Die Zahl tödlicher Stromunfälle sank von etwa 256 im Jahr 1970 auf 36 im Jahr 2015. Für 2011 bis 2015 betrug der Durchschnitt 44,4 tödliche Stromunfälle pro Jahr; zuletzt stagnierte die Zahl auf niedrigem Niveau. Nicht tödliche Stromunfälle wurden dabei nicht berücksichtigt.

Das Statistische Bundesamt erfasste 2018 insgesamt 1.163 tödliche Arbeitsunfälle in Deutschland, darunter 102 bei Elektrikern. Die häufigsten Ursachen aller tödlichen Arbeitsunfälle waren Stürze mit 33,9 %, Verkehrsunfälle mit 22,2 % und Quetschungen oder Pressungen mit 12,7 %. Männer stellten 96,3 % der Todesopfer. Der Frauenanteil im Elektrohandwerk lag 2018 bei 2,2 % und 2022 bei 4,3 %.