Elektrotechnik

Die Elektrotechnik ist eine Ingenieurdisziplin , die sich mit der Erforschung, dem Entwurf und der Anwendung von Geräten, Vorrichtungen und Systemen befasst, die Elektrizität , Elektronik und Elektromagnetismus nutzen. Sie entwickelte sich in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts nach der Kommerzialisierung des elektrischen Telegrafen , des Telefons sowie der Erzeugung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie zu einem eigenständigen Berufszweig .

Die Elektrotechnik gliedert sich in zahlreiche verschiedene Bereiche, darunter Computertechnik , Systemtechnik , Energietechnik , Telekommunikation , Hochfrequenztechnik , Signalverarbeitung , Messtechnik , Regelungstechnik , Photovoltaik , Elektronik sowie Optik und Photonik . Viele dieser Disziplinen überschneiden sich mit anderen Ingenieurzweigen und umfassen eine Vielzahl von Spezialisierungen, darunter Hardwareentwicklung, Leistungselektronik , Elektromagnetik und Wellentechnik, Mikrowellentechnik , Nanotechnologie , Elektrochemie , erneuerbare Energien, Mechatronik/Regelungstechnik und elektrische Materialwissenschaften. ^{[ a ]} Maschinelles Lernen und Informatiktechniken werden aufgrund ihrer historischen Entwicklung als Teilgebiete der Elektrotechnik ebenfalls intensiv erforscht.

Elektroingenieure verfügen in der Regel über einen Hochschulabschluss in Elektrotechnik, Elektronik oder Elektrotechnik und Elektronik. Praktizierende Ingenieure können über eine professionelle Zertifizierung verfügen und Mitglied einer Berufsvereinigung oder einer internationalen Normungsorganisation sein. Dazu gehören die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), die National Society of Professional Engineers (NSPE), das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und die Institution of Engineering and Technology (IET, ehemals IEE).

Elektroingenieure arbeiten in den unterschiedlichsten Branchen, und die benötigten Fähigkeiten sind dementsprechend vielfältig. Sie reichen von der Schaltungstheorie bis hin zu den Managementfähigkeiten eines Projektmanagers . Auch die Werkzeuge und Geräte, die ein einzelner Ingenieur benötigt, sind sehr unterschiedlich und reichen von einfachen Voltmeter bis hin zu komplexer Konstruktions- und Fertigungssoftware.

Elektrizität ist seit mindestens dem frühen 17. Jahrhundert Gegenstand wissenschaftlichen Interesses. William Gilbert war ein bedeutender früher Elektroforscher und unterschied als Erster klar zwischen Magnetismus und statischer Elektrizität . Ihm wird die Prägung des Begriffs „Elektrizität“ zugeschrieben. ^{[ 1 ]} Er entwickelte auch das Versorium , ein Gerät zum Nachweis statisch geladener Objekte. 1762 erfand der schwedische Professor Johan Wilcke ein Gerät, das später Elektrophor genannt wurde und eine statische elektrische Ladung erzeugte. ^{[ 2 ]} Um 1800 entwickelte Alessandro Volta die Voltasche Säule , einen Vorläufer der elektrischen Batterie.

Im 19. Jahrhundert intensivierte sich die Forschung auf diesem Gebiet. Zu den bedeutenden Entwicklungen dieses Jahrhunderts zählen die Arbeiten von Hans Christian Ørsted , der 1820 entdeckte, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, das eine Kompassnadel ablenkt; von William Sturgeon , der 1825 den Elektromagneten erfand ; von Joseph Henry und Edward Davy , die 1835 das elektrische Relais erfanden ; von Georg Ohm , der 1827 den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Potenzialdifferenz in einem Leiter quantifizierte ; von Michael Faraday , dem Entdecker der elektromagnetischen Induktion im Jahr 1831; und von James Clerk Maxwell , der 1873 in seiner Abhandlung „Electricity and Magnetism“ eine einheitliche Theorie der Elektrizität und des Magnetismus veröffentlichte . ^{[ 3 ]}

1782 entwickelte und präsentierte Georges-Louis Le Sage in Berlin die vermutlich weltweit erste Form der elektrischen Telegrafie . Er verwendete 24 Drähte, einen für jeden Buchstaben des Alphabets. Dieser Telegraf verband zwei Räume. Es handelte sich um einen elektrostatischen Telegrafen, der Blattgold durch elektrische Leitfähigkeit übertrug.

1795 schlug Francisco Salva Campillo ein elektrostatisches Telegrafensystem vor. Zwischen 1803 und 1804 arbeitete er an der elektrischen Telegrafie und präsentierte seinen Bericht 1804 der Königlichen Akademie der Naturwissenschaften und Künste in Barcelona. Salvas Elektrolyt-Telegrafensystem war sehr innovativ, obwohl es stark von zwei Entdeckungen beeinflusst war, die 1800 in Europa gemacht wurden: Alessandro Voltas elektrische Batterie zur Stromerzeugung und William Nicholson und Anthony Carlyles Wasserelektrolyse. ^{[ 4 ]} Die elektrische Telegrafie kann als erstes Beispiel der Elektrotechnik betrachtet werden. ^{[ 5 ]} Die Elektrotechnik entwickelte sich im späten 19. Jahrhundert zu einem eigenständigen Beruf. Fachleute hatten ein globales elektrisches Telegrafennetz aufgebaut , und die ersten professionellen Institutionen für Elektrotechnik wurden in Großbritannien und den USA gegründet, um die neue Disziplin zu fördern. Francis Ronalds entwickelte 1816 ein elektrisches Telegrafensystem und dokumentierte seine Vision, wie die Welt durch Elektrizität verändert werden könnte. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Über 50 Jahre später trat er der neu gegründeten Society of Telegraph Engineers (die bald darauf in Institution of Electrical Engineers umbenannt wurde ) bei, wo er von den anderen Mitgliedern als der erste seiner Generation angesehen wurde. ^{[ 8 ]} Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts hatte sich die Welt durch die rasante Kommunikation, die durch die technische Entwicklung von Landleitungen, Seekabeln und ab etwa 1890 der drahtlosen Telegrafie ermöglicht wurde, für immer verändert .

Praktische Anwendungen und Fortschritte in diesen Bereichen führten zu einem zunehmenden Bedarf an standardisierten Maßeinheiten . Dies führte zur internationalen Standardisierung der Einheiten Volt , Ampere , Coulomb , Ohm , Farad und Henry . Diese wurde 1893 auf einer internationalen Konferenz in Chicago erreicht. ^{[ 9 ]} Die Veröffentlichung dieser Standards bildete die Grundlage für zukünftige Fortschritte in der Standardisierung verschiedener Branchen, und in vielen Ländern wurden die Definitionen umgehend in die einschlägigen Gesetze übernommen. ^{[ 10 ]}

In diesen Jahren galt die Elektrizitätslehre weitgehend als Teilgebiet der Physik , da die frühe Elektrotechnik als elektromechanischer Natur angesehen wurde. Die Technische Universität Darmstadt gründete 1882 die weltweit erste Fakultät für Elektrotechnik und führte 1883 den ersten Studiengang in diesem Fach ein. ^{[ 11 ]} Der erste Studiengang in Elektrotechnik in den Vereinigten Staaten wurde am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Fachbereich Physik unter Professor Charles Cross eingerichtet. ^{[ 12 ]} Die weltweit ersten Absolventen der Elektrotechnik waren jedoch die der Cornell University, die 1885 ihren Abschluss machten. ^{[ 13 ]} Der erste Kurs in Elektrotechnik wurde 1883 am Sibley College of Mechanical Engineering and Mechanic Arts der Cornell University angeboten . ^{[ 14 ]}

Um 1885 gründete der Präsident der Cornell University, Andrew Dickson White, die erste Abteilung für Elektrotechnik in den Vereinigten Staaten. ^{[ 15 ]} Im selben Jahr richtete das University College London den ersten Lehrstuhl für Elektrotechnik in Großbritannien ein. ^{[ 16 ]} Professor Mendell P. Weinbach gründete 1886 an der University of Missouri die Abteilung für Elektrotechnik. ^{[ 17 ]} In der Folgezeit begannen Universitäten und technische Hochschulen weltweit nach und nach, ihren Studierenden Studiengänge in Elektrotechnik anzubieten.

In diesen Jahrzehnten nahm die Nutzung der Elektrotechnik rasant zu. 1882 schaltete Thomas Edison das weltweit erste großflächige Stromnetz in Betrieb, das 59 Kunden auf Manhattan in New York City mit 110 Volt Gleichstrom versorgte . 1884 erfand Sir Charles Parsons die Dampfturbine , die eine effizientere Stromerzeugung ermöglichte. Wechselstrom , der mithilfe von Transformatoren Energie effizienter über große Entfernungen übertragen kann , entwickelte sich in den 1880er und 1890er Jahren rasant. Transformatorenkonstruktionen stammten von Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy und Miksa Déri (später ZBD-Transformatoren genannt), Lucien Gaulard , John Dixon Gibbs und William Stanley Jr. Praktische Wechselstrommotoren, darunter Induktionsmotoren, wurden unabhängig voneinander von Galileo Ferraris und Nikola Tesla erfunden und von Mikhail Dolivo-Dobrovolsky und Charles Eugene Lancelot Brown zu einer praktischen Dreiphasenform weiterentwickelt . ^{[ 18 ]} Charles Steinmetz und Oliver Heaviside leisteten einen Beitrag zu den theoretischen Grundlagen der Wechselstromtechnik. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Die Verbreitung des Wechselstroms löste in den Vereinigten Staaten den sogenannten Stromkrieg zwischen einem von George Westinghouse unterstützten Wechselstromsystem und einem von Thomas Edison unterstützten Gleichstromsystem aus, wobei sich Wechselstrom als allgemeiner Standard durchsetzte. ^{[ 21 ]}

Während der Entwicklung des Radios trugen zahlreiche Wissenschaftler und Erfinder zur Radiotechnologie und Elektronik bei. Die mathematischen Arbeiten von James Clerk Maxwell in den 1850er Jahren zeigten den Zusammenhang verschiedener Formen elektromagnetischer Strahlung auf , einschließlich der Möglichkeit unsichtbarer, sich in der Luft ausbreitender Wellen (später „Radiowellen“ genannt). In seinen klassischen Physikexperimenten von 1888 bewies Heinrich Hertz Maxwells Theorie, indem er Radiowellen mit einem Funkenstreckensender aussendete und sie mit einfachen elektrischen Geräten empfing. Andere Physiker experimentierten mit diesen neuen Wellen und entwickelten dabei Geräte zu deren Aussendung und Empfang. 1895 begann Guglielmo Marconi mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Übertragung und zum Empfang dieser „Hertzschen Wellen“ für ein speziell dafür konzipiertes kommerzielles drahtloses Telegrafiesystem . Anfangs übertrug er drahtlose Signale über eine Entfernung von etwa 2,4 Kilometern. Im Dezember 1901 gelang es ihm, drahtlose Wellen auszusenden, die nicht von der Erdkrümmung beeinflusst wurden. Später übertrug Marconi die drahtlosen Signale über den Atlantik zwischen Poldhu in Cornwall und St. John’s in Neufundland , einer Entfernung von 3400 km (2100 Meilen). ^{[ 22 ]}

Die Millimeterwellenkommunikation wurde erstmals von Jagadish Chandra Bose in den Jahren 1894–1896 untersucht , als er in seinen Experimenten eine extrem hohe Frequenz von bis zu 60 GHz erreichte. ^{[ 23 ]} Er führte auch die Verwendung von Halbleiterübergängen zum Nachweis von Radiowellen ein, ^{[ 24 ]} als er 1901 den Radiokristalldetektor patentierte. ^{[ 25 ] [ 26 ]} 

1897 führte Karl Ferdinand Braun die Kathodenstrahlröhre als Bestandteil eines Oszilloskops ein , eine entscheidende Basistechnologie für das elektronische Fernsehen . ^{[ 27 ]} John Fleming erfand 1904 die erste Radioröhre, die Diode . Zwei Jahre später entwickelten Robert von Lieben und Lee De Forest unabhängig voneinander die Verstärkerröhre, die Triode genannt wird . ^{[ 28 ]}

1920 entwickelte Albert Hull das Magnetron , das schließlich 1946 zur Entwicklung des Mikrowellenofens durch Percy Spencer führte . ^{[ 29 ] [ 30 ]} 1934 unternahm das britische Militär unter der Leitung von Dr. Wimperis erste Schritte in Richtung Radar (das ebenfalls das Magnetron nutzt), was im August 1936 in der Inbetriebnahme der ersten Radarstation in Bawdsey gipfelte. ^{[ 31 ]}

1941 präsentierte Konrad Zuse den Z3 , den weltweit ersten voll funktionsfähigen und programmierbaren Computer mit elektromechanischen Bauteilen. 1943 entwickelte und baute Tommy Flowers den Colossus , den weltweit ersten voll funktionsfähigen, elektronischen, digitalen und programmierbaren Computer. ^{[ 32 ] [ 33 ]} 1946 folgte der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly und läutete das Computerzeitalter ein. Die Rechenleistung dieser Maschinen ermöglichte es Ingenieuren, völlig neue Technologien zu entwickeln und neue Ziele zu erreichen. ^{[ 34 ]}

Im Jahr 1948 veröffentlichte Claude Shannon „A Mathematical Theory of Communication“, in dem er die Informationsübertragung unter Berücksichtigung von Unsicherheiten ( elektrischem Rauschen ) mathematisch beschreibt.

Der erste funktionierende Transistor war ein Punktkontakttransistor, der 1947 von John Bardeen und Walter Houser Brattain unter William Shockley bei den Bell Telephone Laboratories (BTL) erfunden wurde. ^{[ 35 ]} 1948 erfanden sie dann den Bipolartransistor. ^{[ 36 ]} Obwohl frühe Bipolartransistoren relativ große Bauteile waren, die sich nur schwer in Serie fertigen ließen , ^{[ 37 ]} ebneten sie den Weg für kompaktere Bauelemente. ^{[ 38 ]}

Die ersten integrierten Schaltkreise waren der hybride integrierte Schaltkreis, der 1958 von Jack Kilby bei Texas Instruments erfunden wurde , und der monolithische integrierte Schaltkreischip, der 1959 von Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor erfunden wurde. ^{[ 39 ]}

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, kurz MOS-Transistor) wurde 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng bei BTL erfunden. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} Er war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und für vielfältige Anwendungen in Massenproduktion hergestellt werden konnte. ^{[ 37 ]} Er revolutionierte die Elektronikindustrie [ ^{43 ] [ 44 ] und} wurde zum weltweit am häufigsten verwendeten elektronischen Bauelement. ^{[ 41 ] [ 45 ] [ 46 ]}

Der MOSFET ermöglichte die Herstellung hochdichter integrierter Schaltkreise . ^{[ 41 ]} Der erste experimentelle MOS-IC-Chip wurde 1962 von Fred Heiman und Steven Hofstein in den RCA Laboratories gefertigt. ^{[ 47 ]} Die MOS-Technologie ermöglichte das Mooresche Gesetz , die Verdopplung der Transistoranzahl auf einem IC-Chip alle zwei Jahre, die Gordon Moore 1965 vorhersagte . ^{[ 48 ]} Die Silizium-Gate -MOS-Technologie wurde 1968 von Federico Faggin bei Fairchild entwickelt. ^{[ 49 ]} Seitdem ist der MOSFET der grundlegende Baustein der modernen Elektronik. ^{[ 42 ] [ 50 ] [ 51 ]} Die Massenproduktion von Silizium-MOSFETs und MOS-ICs sowie die kontinuierliche Miniaturisierung der MOSFETs in exponentiellem Tempo (wie vom Mooreschen Gesetz vorhergesagt) haben seither zu revolutionären Veränderungen in Technologie, Wirtschaft, Kultur und Denken geführt. ^{[ 52 ]}

Das Apollo-Programm , das 1969 mit der Landung von Astronauten auf dem Mond mit Apollo 11 seinen Höhepunkt erreichte, wurde durch die Nutzung von Fortschritten in der Halbleiterelektronik durch die NASA ermöglicht , darunter MOSFETs in der Interplanetaren Überwachungsplattform (IMP) ^{[ 53 ] [ 54 ]} und integrierte Siliziumschaltkreise im Apollo-Bordcomputer (AGC). ^{[ 55 ]}

Die Entwicklung der MOS-Technologie für integrierte Schaltungen in den 1960er Jahren führte Anfang der 1970er Jahre zur Erfindung des Mikroprozessors . ^{[ 56 ] [ 57 ]} Der erste Ein-Chip-Mikroprozessor war der Intel 4004 , der 1971 auf den Markt kam. ^{[ 56 ]} Der Intel 4004 wurde von Federico Faggin bei Intel mit seiner Silizium-Gate-MOS-Technologie entwickelt und realisiert, ^{[ 56 ]} zusammen mit Marcian Hoff und Stanley Mazor von Intel sowie Masatoshi Shima von Busicom. ^{[ 58 ]} Der Mikroprozessor ermöglichte die Entwicklung von Mikrocomputern und Personalcomputern und löste die Mikrocomputer-Revolution aus .

In jüngster Zeit hat sich das Gebiet des maschinellen Lernens (einschließlich Spracherkennungssysteme, Computer Vision und Reinforcement Learning ) stark mit Bereichen der Elektrotechnik wie Signalverarbeitung, Bildverarbeitung und Regelungstechnik überschnitten und wird daher häufig von Elektrotechnikern untersucht. Techniken des maschinellen Lernens finden auch in elektrotechnischen Systemen Anwendung, beispielsweise in der elektronischen Entwurfsautomatisierung, der stochastischen und adaptiven Regelung, in intelligenten Stromnetzen, der adaptiven Signalverarbeitung usw.

Eine der Eigenschaften von Elektrizität ist ihre große Nützlichkeit für die Energie- und Informationsübertragung. Dies waren auch die ersten Anwendungsgebiete der Elektrotechnik. Heute umfasst die Elektrotechnik zahlreiche Teildisziplinen, von denen die gängigsten im Folgenden aufgeführt sind. Obwohl es Elektroingenieure gibt, die sich ausschließlich auf eine dieser Teildisziplinen konzentrieren, beschäftigen sich viele mit einer Kombination davon. Manche Bereiche, wie beispielsweise die Elektronik- und die Informatiktechnik , werden sogar als eigenständige Disziplinen betrachtet.

Energietechnik befasst sich mit der Erzeugung , Übertragung und Verteilung von Elektrizität sowie mit der Entwicklung einer Reihe zugehöriger Geräte. ^{[ 59 ]} Dazu gehören Transformatoren , Generatoren , Elektromotoren , Hochspannungstechnik und Leistungselektronik . In vielen Regionen der Welt betreiben Regierungen ein Stromnetz, das verschiedene Erzeuger mit den Verbrauchern verbindet. Die Verbraucher beziehen Strom aus dem Netz und vermeiden so die kostspielige Eigenerzeugung. Energieingenieure arbeiten an der Planung und Instandhaltung des Stromnetzes sowie der daran angeschlossenen Systeme. ^{[ 60 ]} Solche Systeme werden als netzgekoppelte Systeme bezeichnet und können das Netz mit Strom versorgen, Strom aus dem Netz beziehen oder beides. Energieingenieure arbeiten auch an netzunabhängigen Systemen, sogenannten Inselsystemen , die in manchen Fällen netzgekoppelten Systemen vorzuziehen sind.

Die Telekommunikationstechnik befasst sich mit der Übertragung von Informationen über einen Kommunikationskanal wie ein Koaxialkabel , eine Glasfaser oder den freien Raum . ^{[ 61 ]} Bei der Übertragung im freien Raum müssen die Informationen in einem Trägersignal codiert werden, um sie auf eine für die Übertragung geeignete Trägerfrequenz zu verschieben; dies wird als Modulation bezeichnet . Gängige analoge Modulationsverfahren sind Amplitudenmodulation und Frequenzmodulation . ^{[ 62 ]} Die Wahl des Modulationsverfahrens beeinflusst die Kosten und die Leistung eines Systems, und diese beiden Faktoren müssen vom Ingenieur sorgfältig abgewogen werden.

Sobald die Übertragungseigenschaften eines Systems bestimmt sind, entwerfen Telekommunikationsingenieure die für solche Systeme benötigten Sender und Empfänger . Diese beiden werden mitunter zu einem bidirektionalen Kommunikationsgerät, dem sogenannten Transceiver , kombiniert . Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Sendern ist ihr Stromverbrauch , da dieser eng mit ihrer Signalstärke zusammenhängt . ^{[ 63 ] [ 64 ]} Reicht die Leistung des gesendeten Signals beim Eintreffen an der/den Empfängerantenne(n) nicht aus, werden die im Signal enthaltenen Informationen typischerweise durch Rauschen , insbesondere statische Störungen, verfälscht.

Die Regelungstechnik befasst sich mit der Modellierung verschiedenster dynamischer Systeme und der Entwicklung von Reglern , die das gewünschte Verhalten dieser Systeme bewirken. ^{[ 65 ]} Zur Implementierung solcher Regler verwenden Regelungstechniker elektronische Schaltungen , digitale Signalprozessoren , Mikrocontroller und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Die Regelungstechnik findet in vielen Bereichen Anwendung, von den Flug- und Antriebssystemen von Verkehrsflugzeugen bis hin zum Tempomat in vielen modernen Automobilen . ^{[ 66 ]} Sie spielt auch eine wichtige Rolle in der industriellen Automatisierung .

Regelungstechniker nutzen häufig Rückkopplung bei der Entwicklung von Regelsystemen . Beispielsweise wird in einem Auto mit Tempomat die Fahrzeuggeschwindigkeit kontinuierlich überwacht und an das System zurückgemeldet, welches die Motorleistung entsprechend anpasst . [ ^{67 ] Bei} regelmäßiger Rückkopplung kann die Regelungstechnik eingesetzt werden, um zu bestimmen , wie das System auf diese Rückkopplung reagiert.

Regelungstechniker arbeiten auch in der Robotik , um autonome Systeme mithilfe von Regelungsalgorithmen zu entwickeln, die sensorische Rückmeldungen interpretieren, um Aktoren zu steuern, die Roboter wie autonome Fahrzeuge , autonome Drohnen und andere in verschiedenen Branchen eingesetzte Systeme bewegen. ^{[ 68 ]}

Die Elektronikentwicklung umfasst den Entwurf und die Prüfung elektronischer Schaltungen , die die Eigenschaften von Bauteilen wie Widerständen , Kondensatoren , Induktivitäten , Dioden und Transistoren nutzen , um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen. ^{[ 60 ]} Ein Beispiel für eine solche Schaltung ist der Schwingkreis , mit dem der Benutzer eines Radios alle Sender bis auf einen einzigen ausblenden kann . Ein weiteres Beispiel für Forschungszwecke ist ein pneumatischer Signalaufbereiter.

Vor dem Zweiten Weltkrieg war das Fachgebiet allgemein als Funktechnik bekannt und beschränkte sich im Wesentlichen auf Aspekte der Kommunikation und des Radars , des kommerziellen Radios und des frühen Fernsehens . ^{[ 60 ]} In der Nachkriegszeit, mit der Entwicklung von Endgeräten, erweiterte sich das Feld um moderne Fernsehgeräte, Audiosysteme, Computer und Mikroprozessoren . Mitte bis Ende der 1950er-Jahre wurde der Begriff Funktechnik allmählich durch die Bezeichnung Elektronik ersetzt .

Vor der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1959 ^{[ 69 ]} wurden elektronische Schaltungen aus diskreten Bauteilen aufgebaut, die manuell bedient werden konnten. Diese diskreten Schaltungen benötigten viel Platz und Energie und waren in ihrer Geschwindigkeit begrenzt, obwohl sie in einigen Anwendungen noch immer weit verbreitet sind. Im Gegensatz dazu vereinten integrierte Schaltkreise eine große Anzahl – oft Millionen – winziger elektrischer Bauteile, hauptsächlich Transistoren ^{[ 70 ]} , auf einem kleinen Chip von etwa der Größe einer Münze . Dies ermöglichte die Entwicklung der leistungsstarken Computer und anderer elektronischer Geräte, die wir heute kennen.

Die Mikroelektronik befasst sich mit dem Entwurf und der Mikrofertigung kleinster elektronischer Bauelemente für integrierte Schaltungen oder auch für den eigenständigen Einsatz als allgemeine elektronische Bauteile. ^{[ 71 ]} Die gebräuchlichsten mikroelektronischen Bauelemente sind Halbleitertransistoren , obwohl sich alle wichtigen elektronischen Bauelemente ( Widerstände , Kondensatoren usw.) auf mikroskopischer Ebene herstellen lassen.

Nanoelektronik ist die weitere Verkleinerung von Bauelementen bis hinunter in den Nanometerbereich . Moderne Bauelemente arbeiten bereits im Nanometerbereich, wobei die Verarbeitung unter 100 nm seit etwa 2002 Standard ist. ^{[ 72 ]}

Mikroelektronische Bauelemente werden durch chemische Bearbeitung von Halbleiterwafern, beispielsweise aus Silizium (bei höheren Frequenzen können auch Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid verwendet werden), hergestellt, um den gewünschten Transport von elektrischer Ladung und Strom zu erzielen. Die Mikroelektronik umfasst umfangreiche Kenntnisse der Chemie und Materialwissenschaften und erfordert von Elektronikingenieuren ein fundiertes Verständnis der Effekte der Quantenmechanik . ^{[ 73 ]}

Die Signalverarbeitung befasst sich mit der Analyse und Manipulation von Signalen . ^{[ 74 ]} Signale können entweder analog sein , wobei das Signal kontinuierlich entsprechend der Information variiert, oder digital , wobei das Signal in diesem Fall einer Reihe diskreter Werte entspricht, die die Information repräsentieren. Bei analogen Signalen kann die Signalverarbeitung die Verstärkung und Filterung von Audiosignalen für Audiogeräte oder die Modulation und Demodulation von Signalen für die Telekommunikation umfassen. Bei digitalen Signalen kann die Signalverarbeitung die Komprimierung , Fehlererkennung und Fehlerkorrektur digital abgetasteter Signale umfassen. ^{[ 75 ]}

Die Signalverarbeitung ist ein mathematisch orientiertes Gebiet, das den Kern der digitalen Signalverarbeitung bildet und sich rasant weiterentwickelt. Ihre Anwendungen finden sich in zahlreichen Bereichen der Elektrotechnik, darunter Kommunikationstechnik, Steuerungstechnik, Radartechnik, Audiotechnik , Rundfunktechnik , Leistungselektronik und Biomedizintechnik, da viele bestehende analoge Systeme durch digitale ersetzt werden. Die analoge Signalverarbeitung spielt jedoch weiterhin eine wichtige Rolle bei der Entwicklung vieler Steuerungssysteme .

DSP-Prozessor-ICs finden sich in vielen modernen elektronischen Geräten, wie z. B. digitalen Fernsehgeräten ^{[ 76 ]} , Radios, HiFi- Anlagen, Mobiltelefonen, Multimedia-Playern , Camcordern und Digitalkameras, Fahrzeugsteuerungssystemen, Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung , digitalen Spektrumanalysatoren , Raketenleitsystemen, Radarsystemen und Telematiksystemen . In solchen Produkten kann der DSP für Rauschunterdrückung , Spracherkennung oder -synthese , Kodierung oder Dekodierung digitaler Medien, drahtlose Datenübertragung oder -empfang , Positionsbestimmung mittels GPS sowie für weitere Bild- , Video- , Audio- und Sprachverarbeitung zuständig sein . ^{[ 77 ]}

Die Messtechnik befasst sich mit der Entwicklung von Geräten zur Messung physikalischer Größen wie Druck , Durchfluss und Temperatur. ^{[ 78 ]} Die Entwicklung solcher Instrumente erfordert ein fundiertes physikalisches Verständnis, das oft über die Elektromagnetik hinausgeht . Beispielsweise messen Fluginstrumente Variablen wie Windgeschwindigkeit und Flughöhe, um Piloten die analytische Steuerung des Flugzeugs zu ermöglichen. Thermoelemente nutzen den Peltier-Seebeck-Effekt , um die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten zu messen. ^{[ 79 ]}

Oft wird die Messtechnik nicht eigenständig eingesetzt, sondern als Sensor in größeren elektrischen Systemen. Beispielsweise kann ein Thermoelement dazu beitragen, die Temperatur in einem Ofen konstant zu halten. ^{[ 80 ]} Aus diesem Grund wird die Messtechnik häufig als Gegenstück zur Regelungstechnik betrachtet.

Die Computertechnik befasst sich mit dem Entwurf von Computern und Computersystemen . Dies kann die Entwicklung neuer Hardware umfassen . Computertechniker arbeiten auch an der Software eines Systems. Der Entwurf komplexer Softwaresysteme fällt jedoch häufig in den Bereich der Softwareentwicklung, die üblicherweise als eigenständige Disziplin betrachtet wird. ^{[ 81 ]} Desktop-Computer stellen nur einen Bruchteil der Geräte dar, mit denen Computertechniker arbeiten, da computerähnliche Architekturen mittlerweile in einer Reihe eingebetteter Geräte wie Videospielkonsolen und DVD-Playern zu finden sind . Computertechniker sind an vielen Hardware- und Softwareaspekten der Informatik beteiligt. ^{[ 82 ]} Roboter sind ein Anwendungsgebiet der Computertechnik.

Photonik und Optik befassen sich mit der Erzeugung, Übertragung, Verstärkung, Modulation, Detektion und Analyse elektromagnetischer Strahlung . Die Optik umfasst die Entwicklung optischer Instrumente wie Linsen , Mikroskope , Teleskope und anderer Geräte, die die Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung nutzen. Weitere wichtige Anwendungsgebiete der Optik sind elektrooptische Sensoren und Messsysteme, Laser , Glasfaserkommunikationssysteme und optische Datenträger (z. B. CD und DVD). Die Photonik baut maßgeblich auf optischen Technologien auf und wird durch moderne Entwicklungen wie Optoelektronik (hauptsächlich Halbleiter ), Lasersysteme, optische Verstärker und neuartige Materialien (z. B. Metamaterialien ) ergänzt.

Die Mechatronik ist eine Ingenieurdisziplin, die sich mit der Integration elektrischer und mechanischer Systeme befasst. Solche kombinierten Systeme werden als elektromechanische Systeme bezeichnet und finden breite Anwendung. Beispiele hierfür sind automatisierte Fertigungssysteme ^{[ 83 ]} , Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen [ ^{84 ]} sowie verschiedene Subsysteme von Flugzeugen und Automobilen ^{[ 85 ]} . Die Entwicklung elektronischer Systeme ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik, das ^sich mit den interdisziplinären Entwurfsfragen komplexer elektrischer und mechanischer Systeme auseinandersetzt ^{[ 86 ] .}

Der Begriff Mechatronik wird üblicherweise für makroskopische Systeme verwendet, doch Zukunftsforscher haben die Entwicklung kleinster elektromechanischer Bauelemente vorhergesagt. Solche kleinen Bauelemente, sogenannte mikroelektromechanische Systeme (MEMS), werden bereits in Automobilen eingesetzt, um Airbags auszulösen ^{[ 87 ]} , in digitalen Projektoren für schärfere Bilder und in Tintenstrahldruckern zur Herstellung von Düsen für hochauflösenden Druck. Man erhofft sich, dass diese Bauelemente zukünftig die Entwicklung winziger implantierbarer medizinischer Geräte und die Verbesserung der optischen Kommunikation ermöglichen werden . ^{[ 88 ]}

In der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Robotik sind Beispiele hierfür die jüngsten Entwicklungen im Bereich des elektrischen Antriebs und des Ionenantriebs .

Elektroingenieure verfügen in der Regel über einen Hochschulabschluss in Elektrotechnik, Elektronik , Elektronik und Informatik , Elektrotechniktechnologie ^{[ 89 ]} oder Elektrotechnik und Elektronik. ^{[ 90 ] [ 91 ]} In allen Studiengängen werden dieselben Grundlagen vermittelt, wobei die Schwerpunkte je nach Fachrichtung variieren können. Die Studiendauer beträgt üblicherweise vier bis fünf Jahre. Der Abschluss kann je nach Universität als Bachelor of Science in Elektrotechnik/Elektroniktechnologie, Bachelor of Engineering, Bachelor of Science, Bachelor of Technology oder Bachelor of Applied Science bezeichnet werden . Das Bachelorstudium umfasst in der Regel Lehrveranstaltungen in Physik , Mathematik, Informatik , Projektmanagement und verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik . ^{[ 92 ]} Diese Bereiche decken zunächst die meisten, wenn nicht sogar alle Teildisziplinen der Elektrotechnik ab.

An vielen Hochschulen ist die Elektrotechnik Bestandteil eines elektrotechnischen Studiengangs, manchmal explizit, wie beispielsweise im Bachelor of Engineering (Elektrotechnik und Elektronik). An anderen Hochschulen gelten Elektrotechnik und Elektronik als so breit gefächert und komplex, dass separate Studiengänge angeboten werden. ^{[ 93 ]}

Manche Elektroingenieure entscheiden sich für ein weiterführendes Studium, beispielsweise einen Master of Engineering /Master of Science (MEng/MSc), einen Master of Engineering Management , einen Doktortitel (PhD) in Ingenieurwissenschaften, einen Ingenieurdoktorgrad (Eng.D.) oder einen Ingenieurabschluss . Master- und Ingenieurabschlüsse können aus Forschung, Lehrveranstaltungen oder einer Kombination aus beidem bestehen. Doktorgrade (PhD und Eng.D.) beinhalten eine bedeutende Forschungskomponente und gelten oft als Einstieg in die akademische Laufbahn. Im Vereinigten Königreich und einigen anderen europäischen Ländern wird der Master of Engineering häufig eher als ein etwas längerer Bachelor-Abschluss als der Bachelor of Engineering betrachtet und nicht als eigenständiger Master-Abschluss. ^{[ 94 ]}

In den meisten Ländern ist ein Bachelor-Abschluss in Ingenieurwissenschaften der erste Schritt zur beruflichen Zertifizierung , und der Studiengang selbst wird von einer Berufsvereinigung zertifiziert . ^{[ 95 ]} Nach Abschluss eines zertifizierten Studiengangs muss der Ingenieur verschiedene Anforderungen (darunter Berufserfahrung) erfüllen, bevor er die Zertifizierung erhält. Nach erfolgreicher Zertifizierung wird ihm der Titel „ Professional Engineer“ (in den USA, Kanada und Südafrika), „Chartered Engineer“ oder „Incorporated Engineer“ (in Indien, Pakistan, Großbritannien, Irland und Simbabwe ), „Chartered Professional Engineer“ (in Australien und Neuseeland) oder „European Engineer“ (in weiten Teilen der Europäischen Union ) verliehen.

Die Vorteile einer Berufszulassung variieren je nach Standort. In den Vereinigten Staaten und Kanada beispielsweise dürfen nur zugelassene Ingenieure Bauarbeiten für öffentliche und private Auftraggeber abnehmen. ^{[ 96 ]} Diese Anforderung wird durch staatliche und provinzielle Gesetze, wie etwa das Ingenieurgesetz von Québec , durchgesetzt. ^{[ 97 ]} In anderen Ländern gibt es keine vergleichbare Gesetzgebung. Praktisch alle Zertifizierungsstellen haben einen Ethikkodex , dessen Einhaltung von allen Mitgliedern erwartet wird; andernfalls droht der Ausschluss. ^{[ 98 ]} Dadurch spielen diese Organisationen eine wichtige Rolle bei der Wahrung der ethischen Standards im Berufsstand. Selbst in Rechtsordnungen, in denen die Zertifizierung nur geringe oder gar keine rechtliche Relevanz für die Arbeit hat, unterliegen Ingenieure dem Vertragsrecht . Bei Fehlern in der Arbeit eines Ingenieurs kann dieser wegen Fahrlässigkeit und in extremen Fällen sogar wegen fahrlässiger Körperverletzung angeklagt werden . Die Arbeit eines Ingenieurs muss zudem zahlreichen weiteren Regeln und Vorschriften entsprechen, wie beispielsweise Bauvorschriften und Umweltgesetzen .

Zu den wichtigsten Berufsverbänden für Elektrotechniker zählen das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und die Institution of Engineering and Technology (IET). Das IEEE, das nach eigenen Angaben 30 % der weltweiten Fachliteratur im Bereich Elektrotechnik herausgibt, hat über 360.000 Mitglieder weltweit und veranstaltet jährlich über 3.000 Konferenzen. ^{[ 99 ]} Die IET gibt 21 Fachzeitschriften heraus, hat weltweit über 150.000 Mitglieder und gilt als größte Ingenieurvereinigung Europas. ^{[ 100 ] [ 101 ]} Die Veralterung technischer Kenntnisse ist ein ernstes Problem für Elektrotechniker. Die Mitgliedschaft in und die aktive Teilnahme an Fachgesellschaften, die regelmäßige Lektüre von Fachzeitschriften und die kontinuierliche Weiterbildung sind daher unerlässlich, um die fachliche Kompetenz zu erhalten. Ein Mitglied der Institution of Engineering and Technology (MIET) ist in Europa als Elektro- und Informatikingenieur anerkannt. ^{[ 102 ]}

In Australien, Kanada und den Vereinigten Staaten machen Elektroingenieure etwa 0,25 % der Erwerbsbevölkerung aus. ^{[ b ]}

Vom Global Positioning System bis zur Stromerzeugung haben Elektroingenieure zur Entwicklung einer Vielzahl von Technologien beigetragen. Sie entwerfen, entwickeln, testen und überwachen den Einsatz elektrischer Systeme und elektronischer Geräte. Beispielsweise arbeiten sie an der Entwicklung von Telekommunikationssystemen, dem Betrieb von Kraftwerken , der Beleuchtung und Verkabelung von Gebäuden, der Entwicklung von Haushaltsgeräten oder der elektrischen Steuerung von Industriemaschinen. ^{[ 106 ]}

Grundlegend für die Disziplin sind die Wissenschaften der Physik und Mathematik, da sie sowohl eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der Funktionsweise solcher Systeme ermöglichen . Heutzutage erfolgt die meiste Ingenieurarbeit computergestützt , und der Einsatz von CAD- Programmen ist bei der Entwicklung elektrischer Systeme gängige Praxis. Dennoch ist die Fähigkeit, Ideen skizzieren zu können, nach wie vor von unschätzbarem Wert für die schnelle Kommunikation mit anderen.

Obwohl die meisten Elektrotechniker die Grundlagen der Schaltungstheorie verstehen (d. h. die Wechselwirkungen von Bauelementen wie Widerständen , Kondensatoren , Dioden , Transistoren und Induktivitäten in einem Stromkreis), hängen die von ihnen angewandten Theorien im Allgemeinen von ihrer jeweiligen Tätigkeit ab. So können beispielsweise Quantenmechanik und Festkörperphysik für einen Ingenieur, der an VLSI (der Entwicklung integrierter Schaltungen) arbeitet, relevant sein , sind aber für Ingenieure, die mit makroskopischen elektrischen Systemen arbeiten, weitgehend irrelevant. Selbst die Schaltungstheorie ist möglicherweise nicht relevant für jemanden, der Telekommunikationssysteme mit Standardkomponenten entwickelt . Die wichtigsten technischen Fähigkeiten für Elektrotechniker spiegeln sich wohl in den universitären Studiengängen wider, die ausgeprägte numerische Fähigkeiten , Computerkenntnisse und das Verständnis der Fachsprache und der Konzepte der Elektrotechnik betonen. ^{[ 107 ]}

Elektrotechniker nutzen eine breite Palette an Messgeräten. Für einfache Steuerschaltungen und Alarme genügt oft ein einfaches Multimeter zur Messung von Spannung , Strom und Widerstand . Zur Untersuchung zeitlich veränderlicher Signale ist das Oszilloskop ein weit verbreitetes Instrument. In der Hochfrequenztechnik und der Hochfrequenz-Telekommunikation kommen Spektrumanalysatoren und Netzwerkanalysatoren zum Einsatz. In manchen Bereichen spielt die Sicherheit bei der Verwendung von Messgeräten eine besondere Rolle. So müssen beispielsweise Entwickler medizinischer Elektronik berücksichtigen, dass deutlich niedrigere Spannungen als üblich gefährlich sein können, wenn Elektroden in direkten Kontakt mit Körperflüssigkeiten kommen. ^{[ 108 ]} Auch in der Energieübertragungstechnik sind aufgrund der hohen Spannungen große Sicherheitsbedenken vorhanden; obwohl Voltmeter prinzipiell ihren Niederspannungs-Pendants ähneln, unterscheiden sie sich aufgrund von Sicherheits- und Kalibrierungsfragen erheblich. ^{[ 109 ]} Viele Bereiche der Elektrotechnik verwenden fachspezifische Prüfverfahren. Audiotechniker nutzen Audio-Testgeräte, bestehend aus einem Signalgenerator und einem Messgerät, hauptsächlich zur Messung des Pegels, aber auch anderer Parameter wie Oberwellenverzerrung und Rauschen . Auch die Informationstechnologie verfügt über eigene Testreihen, die oft auf ein bestimmtes Datenformat zugeschnitten sind, und das Gleiche gilt für den Fernsehrundfunk.

Für viele Ingenieure macht die technische Arbeit nur einen Bruchteil ihrer Tätigkeit aus. Viel Zeit wird auch für Aufgaben wie die Besprechung von Angeboten mit Kunden, die Budgeterstellung und die Festlegung von Projektzeitplänen aufgewendet . ^{[ 110 ]} Viele leitende Ingenieure führen ein Team von Technikern oder anderen Ingenieuren, weshalb Projektmanagementfähigkeiten wichtig sind. Die meisten Ingenieurprojekte erfordern eine Dokumentation, weshalb gute schriftliche Kommunikationsfähigkeiten unerlässlich sind.

Die Arbeitsplätze von Ingenieuren sind so vielfältig wie ihre Tätigkeiten. Elektroingenieure arbeiten beispielsweise in der sterilen Laborumgebung einer Fertigungsanlage , an Bord eines Marineschiffs , in den Büros eines Ingenieurbüros oder direkt in einem Bergwerk. Im Laufe ihres Berufslebens können Elektroingenieure die Aufsicht über ein breites Spektrum an Mitarbeitern übernehmen, darunter Wissenschaftler, Elektriker , Programmierer und andere Ingenieure. ^{[ 111 ]}

Die Elektrotechnik ist eng mit den physikalischen Wissenschaften verknüpft. So spielte beispielsweise der Physiker Lord Kelvin eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung des ersten transatlantischen Telegrafenkabels . ^{[ 112 ]} Umgekehrt leistete der Ingenieur Oliver Heaviside wichtige Beiträge zur Mathematik der Übertragung in Telegrafenkabeln. ^{[ 113 ]} Elektrotechniker werden häufig für große wissenschaftliche Projekte benötigt. Beispielsweise benötigen große Teilchenbeschleuniger wie das CERN Elektrotechniker für viele Aspekte des Projekts, darunter die Stromverteilung, die Instrumentierung sowie die Herstellung und Installation der supraleitenden Elektromagnete . ^{[ 114 ] [ 115 ]}

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