Elektrotechnik -Electrical engineering

Elektrotechnik
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Beruf
Namen Elektroingenieur
Tätigkeitsbereiche
Elektronik , elektrische Schaltungen , Elektromagnetik , Energietechnik , elektrische Maschinen , Telekommunikation, Steuerungssysteme , Signalverarbeitung , Optik , Photonik
Beschreibung
Kompetenzen Technisches Wissen, Managementfähigkeiten, Design (siehe auch Glossar Elektrotechnik und Elektronik )

Beschäftigungsfelder _
Technologie, Wissenschaft, Exploration , Militär, Industrie

Elektrotechnik ist eine Ingenieurdisziplin , die sich mit dem Studium, dem Design und der Anwendung von Geräten, Geräten und Systemen befasst, die Elektrizität , Elektronik und Elektromagnetismus verwenden . Es entstand als ein identifizierbarer Beruf in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts nach der Kommerzialisierung des elektrischen Telegrafen , des Telefons und der Stromerzeugung , -verteilung und -nutzung.

Die Elektrotechnik ist heute in eine Vielzahl verschiedener Bereiche unterteilt, darunter Computertechnik , Systemtechnik , Energietechnik , Telekommunikation , Hochfrequenztechnik , Signalverarbeitung , Instrumentierung , Photovoltaikzellen , Elektronik sowie Optik und Photonik . Viele dieser Disziplinen überschneiden sich mit anderen Ingenieurzweigen und umfassen eine Vielzahl von Spezialisierungen, darunter Hardwaretechnik, Leistungselektronik , Elektromagnetik und Wellen, Mikrowellentechnik , Nanotechnologie , Elektrochemie , erneuerbare Energien, Mechatronik/Regelung und Elektromaterialwissenschaften.

Elektroingenieure haben in der Regel einen Abschluss in Elektrotechnik oder Elektrotechnik. Praktizierende Ingenieure können über eine Berufszertifizierung verfügen und Mitglieder eines Berufsverbandes oder einer internationalen Normungsorganisation sein. Dazu gehören die International Electrotechnical Commission (IEC), das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und die Institution of Engineering and Technology (IET) (ehemals IEE) .

Elektroingenieure sind in den unterschiedlichsten Branchen tätig und die erforderlichen Fähigkeiten sind ebenso unterschiedlich. Diese reichen von der Schaltungstheorie bis zu den Managementfähigkeiten eines Projektmanagers . Die Werkzeuge und Geräte, die ein einzelner Ingenieur möglicherweise benötigt, sind ähnlich variabel und reichen von einem einfachen Voltmeter bis hin zu ausgefeilter Design- und Fertigungssoftware.

Geschichte

Elektrizität ist seit mindestens dem frühen 17. Jahrhundert ein Thema von wissenschaftlichem Interesse. William Gilbert war ein prominenter früher Elektrowissenschaftler und war der Erste, der eine klare Unterscheidung zwischen Magnetismus und statischer Elektrizität machte . Ihm wird die Etablierung des Begriffs "Elektrizität" zugeschrieben. Er entwarf auch das Versorium : ein Gerät, das die Anwesenheit von statisch aufgeladenen Objekten erkennt. 1762 erfand der schwedische Professor Johan Wilcke ein Gerät, das später Elektrophorus genannt wurde und eine statische elektrische Ladung erzeugte. Um 1800 hatte Alessandro Volta die Voltasäule entwickelt , einen Vorläufer der elektrischen Batterie.

19. Jahrhundert

Die Entdeckungen von Michael Faraday bildeten die Grundlage der Elektromotorentechnologie.

Im 19. Jahrhundert begann sich die Forschung zu diesem Thema zu intensivieren. Zu den bemerkenswerten Entwicklungen in diesem Jahrhundert gehören 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 ihn erfanden das elektrische Relais im Jahr 1835, von Georg Ohm , der 1827 die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der Potentialdifferenz in einem Leiter quantifizierte , von Michael Faraday (dem Entdecker der elektromagnetischen Induktion im Jahr 1831) und von James Clerk Maxwell , der 1873 veröffentlichte eine einheitliche Theorie von Elektrizität und Magnetismus in seiner Abhandlung Elektrizität und Magnetismus .

1782 entwickelte und präsentierte Georges-Louis Le Sage in Berlin die wahrscheinlich weltweit erste Form der elektrischen Telegrafie mit 24 verschiedenen Drähten, einen für jeden Buchstaben des Alphabets. Dieser Telegraf verband zwei Räume. Es war ein elektrostatischer Telegraf, der Blattgold durch elektrische Leitung bewegte.

1795 schlug Francisco Salva Campillo ein elektrostatisches Telegrafensystem vor. Zwischen 1803 und 1804 arbeitete er an elektrischer Telegraphie und legte 1804 seinen Bericht an der Königlichen Akademie der Naturwissenschaften und Künste in Barcelona vor. Das elektrolytische Telegrafensystem von Salva war sehr innovativ, obwohl es stark von zwei neuen Entdeckungen beeinflusst wurde, die 1800 in Europa gemacht wurden – Alessandro Voltas elektrische Batterie zur Erzeugung von elektrischem Strom und William Nicholson und Anthony Carlyles Wasserelektrolyse. Die elektrische Telegraphie kann als erstes Beispiel der Elektrotechnik angesehen werden. Elektrotechnik wurde im späten 19. Jahrhundert zum Beruf. Praktiker hatten ein globales elektrisches Telegrafennetz geschaffen, und die ersten professionellen Institutionen für Elektrotechnik wurden in Großbritannien und den USA gegründet, um die neue Disziplin zu unterstützen. Francis Ronalds schuf 1816 ein elektrisches Telegrafensystem und dokumentierte seine Vision, wie die Welt durch Elektrizität verändert werden könnte. Über 50 Jahre später trat er der neuen Society of Telegraph Engineers bei (die bald in Institution of Electrical Engineers umbenannt werden sollte ), wo er von anderen Mitgliedern als der erste ihrer Kohorte angesehen wurde. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts hatte sich die Welt durch die schnelle Kommunikation für immer verändert, die durch die technische Entwicklung von Landleitungen, Unterseekabeln und ab etwa 1890 der drahtlosen Telegrafie ermöglicht wurde .

Praktische Anwendungen und Fortschritte in solchen Bereichen führten zu einem zunehmenden Bedarf an standardisierten Maßeinheiten . Sie führten zur internationalen Vereinheitlichung der Einheiten Volt , Ampere , Coulomb , Ohm , Farad und Henry . Dies wurde 1893 auf einer internationalen Konferenz in Chicago erreicht. Die Veröffentlichung dieser Standards bildete die Grundlage für zukünftige Fortschritte in der Standardisierung in verschiedenen Branchen, und in vielen Ländern wurden die Definitionen sofort in der einschlägigen Gesetzgebung anerkannt.

In diesen Jahren wurde das Studium der Elektrizität weitgehend als Teilgebiet der Physik angesehen, 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 Elektrotechnik ein. Der erste Elektrotechnik-Studiengang in den Vereinigten Staaten wurde am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in der Physik-Fakultät gestartet unter Professor Charles Cross, obwohl es die Cornell University war, die 1885 die weltweit ersten Absolventen der Elektrotechnik hervorbrachte. Der erste Kurs in Elektrotechnik wurde 1883 am Cornell's Sibley College of Mechanical Engineering and Mechanic Arts unterrichtet . Erst um 1885 gründete Cornell-Präsident Andrew Dickson White das erste Department of Electrical Engineering in den Vereinigten Staaten. Im selben Jahr gründete das University College London den ersten Lehrstuhl für Elektrotechnik in Großbritannien. Professor Mendell P. Weinbach von der University of Missouri folgte bald mit der Gründung der Abteilung für Elektrotechnik im Jahr 1886. Danach begannen Universitäten und technische Institute nach und nach damit, ihren Studenten auf der ganzen Welt Elektrotechnik-Programme anzubieten.

In diesen Jahrzehnten nahm der Einsatz der Elektrotechnik dramatisch zu. 1882 schaltete Thomas Edison das weltweit erste große Stromnetz ein, das 59 Kunden auf Manhattan Island in New York City mit 110 Volt – Gleichstrom (DC) – versorgte. 1884 erfand Sir Charles Parsons die Dampfturbine, die eine effizientere Stromerzeugung ermöglichte. Wechselstrom mit seiner Fähigkeit, Energie über große Entfernungen durch den Einsatz von Transformatoren effizienter zu übertragen , entwickelte sich in den 1880er und 1890er Jahren schnell mit Transformatorentwürfen von Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy und Miksa Déri (später ZBD-Transformatoren genannt), Lucien Gaulard , John Dixon Gibbs und William Stanley, Jr. Praktische Wechselstrommotordesigns einschließlich 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 . Charles Steinmetz und Oliver Heaviside trugen zu den theoretischen Grundlagen der Wechselstromtechnik bei. Die Verbreitung der Verwendung von Wechselstrom löste in den Vereinigten Staaten den sogenannten Krieg der Ströme zwischen einem von George Westinghouse unterstützten Wechselstromsystem und einem von Thomas Edison unterstützten Gleichstromsystem aus, wobei Wechselstrom als Gesamtstandard angenommen wurde.

Frühes 20. Jahrhundert

Guglielmo Marconi , bekannt für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der Funkübertragung über große Entfernungen

Während der Entwicklung des Radios haben viele Wissenschaftler und Erfinder zur Radiotechnologie und -elektronik beigetragen. Die mathematische Arbeit von James Clerk Maxwell in den 1850er Jahren hatte die Beziehung verschiedener Formen elektromagnetischer Strahlung gezeigt, einschließlich der Möglichkeit unsichtbarer Luftwellen (später "Radiowellen" genannt). In seinen klassischen physikalischen Experimenten von 1888 bewies Heinrich Hertz die Maxwellsche Theorie, indem er Radiowellen mit einem Funkenstreckensender aussendete und sie mit einfachen elektrischen Geräten detektierte. Andere Physiker experimentierten mit diesen neuen Wellen und entwickelten dabei Geräte zu ihrer Übertragung und Detektion. 1895 begann Guglielmo Marconi mit der Arbeit an einem Weg, die bekannten Verfahren zum Übertragen und Erfassen dieser "Hertzschen Wellen" in ein speziell gebautes kommerzielles drahtloses Telegrafiesystem umzuwandeln. Schon früh sendete er drahtlose Signale über eine Entfernung von anderthalb Meilen. Im Dezember 1901 sendete er drahtlose Wellen, die von der Erdkrümmung nicht beeinflusst wurden. Marconi übertrug später die drahtlosen Signale über den Atlantik zwischen Poldhu, Cornwall, und St. John's, Neufundland, eine Entfernung von 2.100 Meilen (3.400 km).

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. Er führte auch die Verwendung von Halbleiterübergängen zum Nachweis von Radiowellen ein, als er 1901 den Funkkristalldetektor patentierte .  

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

1920 entwickelte Albert Hull das Magnetron , das schließlich 1946 zur Entwicklung des Mikrowellenofens durch Percy Spencer führte . 1934 begann das britische Militär unter der Leitung von Dr. Wimperis, Fortschritte in Richtung Radar (das auch das Magnetron verwendet) zu machen, was im August 1936 im Betrieb der ersten Radarstation in Bawdsey gipfelte.

1941 stellte Konrad Zuse den Z3 vor, den weltweit ersten voll funktionsfähigen und programmierbaren Computer mit elektromechanischen Teilen. 1943 entwarf und baute Tommy Flowers den Colossus , den weltweit ersten voll funktionsfähigen, elektronischen, digitalen und programmierbaren Computer. 1946 folgte der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly , der das Computerzeitalter einleitete. Die Rechenleistung dieser Maschinen ermöglichte es den Ingenieuren, völlig neue Technologien zu entwickeln und neue Ziele zu erreichen.

1948 veröffentlicht Claude Shannon „A Mathematical Theory of Communication“, das mathematisch den Informationsfluss mit Unsicherheit ( elektrisches Rauschen ) beschreibt.

Festkörperelektronik

Eine Nachbildung des ersten Arbeitstransistors , eines Punktkontakttransistors
Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der Grundbaustein der modernen Elektronik

Der erste funktionierende Transistor war ein Punktkontakttransistor, der 1947 von John Bardeen und Walter Houser Brattain erfunden wurde , als sie unter William Shockley in den Bell Telephone Laboratories (BTL) arbeiteten. 1948 erfanden sie dann den bipolaren Sperrschichttransistor . Während frühe Sperrschichttransistoren relativ waren sperrige Geräte, die in Massenproduktion schwer herzustellen waren , öffneten sie die Tür für kompaktere Geräte.

Die ersten integrierten Schaltkreise waren der integrierte Hybridschaltkreis, 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.

Der MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder MOS-Transistor) wurde 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng bei BTL erfunden. Er war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und für eine breite Palette von Massenprodukten hergestellt werden konnte Verwendet. Es revolutionierte die Elektronikindustrie und wurde zum am weitesten verbreiteten elektronischen Gerät der Welt.

Der MOSFET ermöglichte den Bau von integrierten Schaltungschips mit hoher Dichte . Der früheste experimentell hergestellte MOS - IC -Chip wurde 1962 von Fred Heiman und Steven Hofstein in den RCA Laboratories gebaut . Die Gate -MOS-Technologie wurde 1968 von Federico Faggin bei Fairchild entwickelt. Seitdem ist der MOSFET der Grundbaustein der modernen Elektronik. Die Massenproduktion von Silizium-MOSFETs und integrierten MOS-Schaltkreischips hat zusammen mit der kontinuierlichen Miniaturisierung der MOSFET-Skalierung in exponentiellem Tempo (wie vom Mooreschen Gesetz vorhergesagt ) zu revolutionären Veränderungen in Technologie, Wirtschaft, Kultur und Denken geführt.

Das Apollo-Programm , das 1969 mit der Landung von Astronauten auf dem Mond mit Apollo 11 gipfelte, wurde durch die Übernahme von Fortschritten in der Halbleiterelektroniktechnologie durch die NASA ermöglicht , darunter MOSFETs in der Interplanetary Monitoring Platform (IMP) und integrierte Siliziumschaltkreise im Apollo Guidance Computer (AGC).

Die Entwicklung der integrierten MOS-Schaltungstechnologie in den 1960er Jahren führte zur Erfindung des Mikroprozessors in den frühen 1970er Jahren. Der erste Single-Chip-Mikroprozessor war der Intel 4004 , der 1971 auf den Markt kam. Der Intel 4004 wurde von Federico Faggin bei Intel mit seiner Silicon-Gate-MOS-Technologie zusammen mit Marcian Hoff und Stanley Mazor von Intel und Masatoshi Shima von Busicom entworfen und realisiert. Der Mikroprozessor führte zur Entwicklung von Mikrocomputern und Personalcomputern und zur Mikrocomputerrevolution .

Unterfelder

Eine der Eigenschaften von Elektrizität ist, dass sie sowohl für die Energieübertragung als auch für die Informationsübertragung sehr nützlich ist. Dies waren auch die ersten Bereiche, in denen die Elektrotechnik entwickelt wurde. Heute hat die Elektrotechnik viele 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 aus ihnen. Manchmal werden bestimmte Bereiche, wie z. B. Elektrotechnik und Computertechnik , als eigenständige Disziplinen betrachtet.

Kraft und Energie

Die Spitze eines Strommastes

Power & Energy Engineering befasst sich mit der Erzeugung , Übertragung und Verteilung von Elektrizität sowie dem Design einer Reihe verwandter Geräte. Dazu gehören Transformatoren , elektrische Generatoren , Elektromotoren , Hochspannungstechnik und Leistungselektronik . In vielen Regionen der Welt unterhalten Regierungen ein elektrisches Netzwerk, das als Stromnetz bezeichnet wird und eine Vielzahl von Generatoren mit den Nutzern ihrer Energie verbindet. Die Nutzer beziehen elektrische Energie aus dem Netz und vermeiden so die kostspielige Eigenerzeugung. Energieingenieure können an der Konstruktion und Wartung des Stromnetzes sowie der daran angeschlossenen Stromsysteme arbeiten. Solche Systeme werden als netzgekoppelte Stromversorgungssysteme bezeichnet und können das Netz mit zusätzlichem Strom versorgen, Strom aus dem Netz beziehen oder beides tun. Energieingenieure können auch an Systemen arbeiten, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, sogenannte netzunabhängige Energiesysteme, die in einigen Fällen netzgebundenen Systemen vorzuziehen sind. Die Zukunft umfasst satellitengesteuerte Stromversorgungssysteme mit Echtzeit-Feedback, um Stromstöße und Stromausfälle zu verhindern.

Telekommunikation

Satellitenschüsseln sind eine entscheidende Komponente bei der Analyse von Satelliteninformationen.

Die Telekommunikationstechnik konzentriert sich auf die Übertragung von Informationen über einen Kommunikationskanal wie Koaxialkabel , Glasfaser oder Freiraum . Übertragungen über den freien Raum erfordern, dass Informationen in einem Trägersignal codiert werden , um die Informationen auf eine für die Übertragung geeignete Trägerfrequenz zu verschieben; dies wird als Modulation bezeichnet . Beliebte analoge Modulationstechniken umfassen Amplitudenmodulation und Frequenzmodulation . Die Wahl der Modulation wirkt sich auf die Kosten und die Leistung eines Systems aus, und diese beiden Faktoren müssen vom Ingenieur sorgfältig abgewogen werden.

Sobald die Übertragungseigenschaften eines Systems bestimmt sind, entwerfen Telekommunikationsingenieure die für solche Systeme erforderlichen Sender und Empfänger . Diese beiden werden manchmal kombiniert, um ein bidirektionales Kommunikationsgerät zu bilden, das als Transceiver bekannt ist . Eine Schlüsselüberlegung beim Design von Sendern ist ihr Stromverbrauch, da dieser eng mit ihrer Signalstärke zusammenhängt . Wenn die Leistung des übertragenen Signals unzureichend ist, sobald das Signal an der/den Antenne(n) des Empfängers ankommt, werden die im Signal enthaltenen Informationen typischerweise durch Rauschen , insbesondere statisches Rauschen, verfälscht.

Steuerungstechnik

Steuerungssysteme spielen in der Raumfahrt eine entscheidende Rolle .

Die Regelungstechnik konzentriert sich auf die Modellierung einer Vielzahl dynamischer Systeme und den Entwurf von Reglern , die bewirken, dass sich diese Systeme in der gewünschten Weise verhalten. Um solche Steuerungen zu implementieren, können Elektroniksteuerungsingenieure elektronische Schaltungen , digitale Signalprozessoren , Mikrocontroller und speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs) verwenden. Die Steuerungstechnik hat ein breites Anwendungsspektrum, von Flug- und Antriebssystemen kommerzieller Verkehrsflugzeuge bis hin zu Tempomaten, die in vielen modernen Automobilen vorhanden sind . Auch in der industriellen Automatisierung spielt es eine wichtige Rolle .

Steuerungsingenieure verwenden häufig Feedback beim Entwerfen von Steuerungssystemen . Beispielsweise wird in einem Auto mit Tempomat die Fahrzeuggeschwindigkeit kontinuierlich überwacht und an das System zurückgemeldet, das die Leistungsabgabe des Motors entsprechend anpasst. Wo es regelmäßiges Feedback gibt, kann die Steuerungstheorie verwendet werden, um zu bestimmen, wie das System auf ein solches Feedback reagiert.

Steuerungsingenieure arbeiten auch in der Robotik , um autonome Systeme unter Verwendung von Steuerungsalgorithmen zu entwerfen, die sensorisches Feedback interpretieren, um Aktuatoren zu steuern, die Roboter wie autonome Fahrzeuge , autonome Drohnen und andere bewegen, die in einer Vielzahl von Branchen verwendet werden.

Elektronik

Elektrotechnik umfasst das Entwerfen und Testen elektronischer Schaltungen , die die Eigenschaften von Komponenten wie Widerständen , Kondensatoren , Induktivitäten , Dioden und Transistoren nutzen , um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen. Der abgestimmte Schaltkreis , der es dem Benutzer eines Radios ermöglicht , alle bis auf einen einzigen Sender herauszufiltern , ist nur ein Beispiel für einen solchen Schaltkreis. Ein weiteres zu untersuchendes Beispiel ist ein pneumatischer Signalkonditionierer.

Vor dem Zweiten Weltkrieg war das Fach allgemein als Funktechnik bekannt und beschränkte sich im Wesentlichen auf Aspekte der Kommunikation und des Radars , des kommerziellen Radios und des frühen Fernsehens . Später, in den Nachkriegsjahren, als mit der Entwicklung von Verbrauchergeräten begonnen wurde, erweiterte sich das Feld um moderne Fernseher, Audiosysteme, Computer und Mikroprozessoren . Mitte bis Ende der 1950er Jahre wich der Begriff Funktechnik allmählich der Bezeichnung Elektrotechnik .

Vor der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1959 wurden elektronische Schaltkreise aus diskreten Komponenten aufgebaut, die von Menschen manipuliert werden konnten. Diese diskreten Schaltungen verbrauchten viel Platz und Strom und waren in der Geschwindigkeit begrenzt, obwohl sie in einigen Anwendungen immer noch üblich sind. Im Gegensatz dazu packten integrierte Schaltkreise eine große Anzahl – oft Millionen – winziger elektrischer Komponenten, hauptsächlich Transistoren , in einen kleinen Chip von der Größe einer Münze . Dies ermöglichte die leistungsstarken Computer und andere elektronische Geräte, die wir heute sehen.

Mikroelektronik und Nanoelektronik

Die Mikroelektronik befasst sich mit dem Design und der Mikrofertigung sehr kleiner elektronischer Schaltungskomponenten zur Verwendung in einer integrierten Schaltung oder manchmal zur Verwendung als eigenständige allgemeine elektronische Komponente. Die gebräuchlichsten mikroelektronischen Komponenten sind Halbleitertransistoren , obwohl alle wichtigen elektronischen Komponenten ( Widerstände , Kondensatoren usw.) auf mikroskopischer Ebene hergestellt werden können.

Nanoelektronik ist die weitere Skalierung von Geräten bis auf Nanometerebene . Moderne Geräte befinden sich bereits im Nanometerbereich, wobei die Verarbeitung unter 100 nm seit etwa 2002 Standard ist.

Mikroelektronische Komponenten werden durch chemische Herstellung von Wafern aus Halbleitern wie Silizium (bei höheren Frequenzen Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid) hergestellt, um den gewünschten Transport elektronischer Ladung und Stromsteuerung zu erreichen. Das Gebiet der Mikroelektronik umfasst einen erheblichen Anteil an Chemie und Materialwissenschaften und erfordert vom Elektronikingenieur, der auf diesem Gebiet arbeitet, sehr gute Kenntnisse der Auswirkungen der Quantenmechanik .

Signalverarbeitung

Ein Bayer-Filter auf einem CCD erfordert eine Signalverarbeitung, um bei jedem Pixel einen Rot-, Grün- und Blauwert zu erhalten.

Die Signalverarbeitung befasst sich mit der Analyse und Manipulation von Signalen . Signale können entweder analog sein , in diesem Fall ändert sich das Signal kontinuierlich gemäß den Informationen, oder digital , wobei sich das Signal gemäß einer Reihe von diskreten Werten ändert, die die Informationen darstellen. Bei analogen Signalen kann die Signalverarbeitung die Verstärkung und Filterung von Audiosignalen für Audiogeräte oder die Modulation und Demodulation von Signalen für die Telekommunikation beinhalten. Bei digitalen Signalen kann die Signalverarbeitung die Komprimierung , Fehlererkennung und Fehlerkorrektur von digital abgetasteten Signalen beinhalten.

Die Signalverarbeitung ist ein sehr mathematisch orientiertes und intensives Gebiet, das den Kern der digitalen Signalverarbeitung bildet und sich schnell mit neuen Anwendungen in allen Bereichen der Elektrotechnik wie Kommunikation, Steuerung, Radar, Audiotechnik , Rundfunktechnik , Leistungselektronik und Biomedizin ausdehnt Technik, da viele bereits vorhandene analoge Systeme durch ihre digitalen Pendants ersetzt werden. Die analoge Signalverarbeitung ist immer noch wichtig beim Design vieler Steuerungssysteme .

DSP-Prozessor-ICs finden sich in vielen Arten moderner elektronischer Geräte, wie z. B. digitalen Fernsehgeräten , Radios, Hi-Fi- Audiogeräten, Mobiltelefonen, Multimedia-Playern , Camcordern und Digitalkameras, Automobilsteuerungssystemen, geräuschunterdrückenden Kopfhörern, digitalen Spektrumanalysatoren . Raketenleitsysteme, Radarsysteme und Telematiksysteme . In solchen Produkten kann DSP für die Rauschunterdrückung , Spracherkennung oder -synthese , das Kodieren oder Dekodieren digitaler Medien, das drahtlose Übertragen oder Empfangen von Daten, das Triangulieren von Positionen mit GPS und andere Arten der Bildverarbeitung , Videoverarbeitung , Audioverarbeitung und Sprachverarbeitung verantwortlich sein .

Instrumentierung

Fluginstrumente bieten Piloten die Werkzeuge, um Flugzeuge analytisch zu steuern.

Die Instrumententechnik befasst sich mit der Konstruktion von Geräten zur Messung physikalischer Größen wie Druck , Durchfluss und Temperatur. Das Design solcher Instrumente erfordert ein gutes Verständnis der Physik , das oft über die elektromagnetische Theorie hinausgeht . Beispielsweise messen Fluginstrumente Variablen wie Windgeschwindigkeit und Höhe, um Piloten die Steuerung von Flugzeugen analytisch zu ermöglichen. In ähnlicher Weise nutzen Thermoelemente den Peltier-Seebeck-Effekt , um die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten zu messen.

Oftmals wird die Instrumentierung nicht alleine verwendet, sondern als Sensor von größeren elektrischen Systemen. Beispielsweise könnte ein Thermoelement verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Temperatur eines Ofens konstant bleibt. Aus diesem Grund wird die Messtechnik oft als Gegenstück zur Regelung angesehen.

Computers

Supercomputer werden in so unterschiedlichen Bereichen wie Computerbiologie und Geoinformationssystemen eingesetzt .

Technische Informatik befasst sich mit dem Entwurf von Computern und Computersystemen . Dies kann das Design neuer Hardware beinhalten . Computeringenieure können auch an der Software eines Systems arbeiten. Der Entwurf komplexer Softwaresysteme ist jedoch häufig die Domäne des Software Engineering, das üblicherweise als eigene Disziplin betrachtet wird. Desktop-Computer stellen nur einen winzigen Bruchteil der Geräte dar, an denen ein Computeringenieur arbeiten könnte, da computerähnliche Architekturen jetzt in einer Reihe von eingebetteten Geräten zu finden sind, einschließlich Videospielkonsolen und DVD-Playern . Computeringenieure sind an vielen Hardware- und Softwareaspekten der Datenverarbeitung beteiligt. Roboter sind eine der Anwendungen der Computertechnik.

Photonik und Optik

Photonik und Optik befasst sich mit der Erzeugung, Übertragung, Verstärkung, Modulation, Detektion und Analyse elektromagnetischer Strahlung . Die Anwendung der Optik befasst sich mit dem Design von optischen Instrumenten wie Linsen , Mikroskopen , Teleskopen und anderen Geräten, die die Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung nutzen . Andere herausragende Anwendungen der Optik umfassen elektrooptische Sensoren und Messsysteme, Laser , faseroptische Kommunikationssysteme und optische Plattensysteme (z. B. CD und DVD). Die Photonik baut stark auf der optischen Technologie auf, ergänzt durch moderne Entwicklungen wie Optoelektronik (meistens mit Halbleitern ), Lasersysteme, optische Verstärker und neuartige Materialien (z . B. Metamaterialien ).

Verwandte Disziplinen

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Mechatronik ist eine Ingenieursdisziplin, die sich mit der Konvergenz elektrischer und mechanischer Systeme befasst. Solche kombinierten Systeme sind als elektromechanische Systeme bekannt und haben eine weite Verbreitung gefunden. Beispiele hierfür sind automatisierte Fertigungssysteme , Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen sowie verschiedene Subsysteme von Flugzeugen und Automobilen . Das Design elektronischer Systeme ist das Fach innerhalb der Elektrotechnik, das sich mit den multidisziplinären Designfragen komplexer elektrischer und mechanischer Systeme befasst.

Der Begriff Mechatronik wird normalerweise verwendet, um sich auf makroskopische Systeme zu beziehen, aber Futuristen haben das Aufkommen sehr kleiner elektromechanischer Geräte vorhergesagt. Bereits jetzt werden solche kleinen Geräte, die als Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bekannt sind, in Autos verwendet, um Airbags mitzuteilen, wann sie ausgelöst werden sollen, in Digitalprojektoren , um schärfere Bilder zu erzeugen, und in Tintenstrahldruckern , um Düsen für hochauflösendes Drucken zu erzeugen. In Zukunft sollen die Geräte dabei helfen, winzige implantierbare medizinische Geräte zu bauen und die optische Kommunikation zu verbessern .

In der Luft- und Raumfahrttechnik und Robotik ist ein Beispiel der neueste elektrische Antrieb und Ionenantrieb.

Ausbildung

Elektroingenieure verfügen in der Regel über einen akademischen Abschluss mit den Schwerpunkten Elektrotechnik, Elektronik , Elektrotechnik oder Elektrotechnik. In allen Programmen werden die gleichen Grundprinzipien vermittelt, wobei die Schwerpunkte je nach Titel variieren können. Die Studiendauer für einen solchen Abschluss beträgt in der Regel vier oder fünf Jahre und der abgeschlossene Abschluss kann als Bachelor of Science in Electrical/Electronics Engineering Technology, Bachelor of Engineering , Bachelor of Science, Bachelor of Technology oder Bachelor of Applied Science bezeichnet werden , je nach Hochschule. Das Bachelorstudium umfasst in der Regel Einheiten aus den Bereichen Physik , Mathematik, Informatik , Projektmanagement und diverse Themen der Elektrotechnik . Zunächst decken solche Themen die meisten, wenn nicht alle Teildisziplinen der Elektrotechnik ab. An manchen Schulen können die Studierenden dann gegen Ende des Studiums einen oder mehrere Teilbereiche betonen.

Ein beispielhafter Schaltplan , der beim Schaltungsdesign und bei der Fehlersuche hilfreich ist .

An vielen Schulen ist Elektrotechnik Teil einer elektrischen Auszeichnung, manchmal explizit, wie z. B. ein Bachelor of Engineering (Elektrotechnik und Elektronik), aber an anderen werden Elektrotechnik und Elektronik als ausreichend breit und komplex angesehen, um die Abschlüsse voneinander zu trennen angeboten.

Einige Elektroingenieure entscheiden sich für ein Aufbaustudium wie einen Master of Engineering /Master of Science (MEng/MSc), einen Master of Engineering Management , einen Doctor of Philosophy (PhD) in Engineering, einen Engineering Doctorate (Eng.D. ) oder einen Abschluss als Ingenieur . Die Master- und Ingenieurabschlüsse können entweder aus Forschung, Kursarbeit oder einer Mischung aus beidem bestehen. Die Promotionen zum Doktor der Philosophie und der Ingenieurwissenschaften bestehen aus einer bedeutenden Forschungskomponente und werden oft als Einstiegspunkt in die akademische Welt angesehen . Im Vereinigten Königreich und einigen anderen europäischen Ländern wird der Master of Engineering oft als Bachelor-Abschluss mit etwas längerer Dauer als der Bachelor of Engineering und nicht als eigenständiger Aufbaustudiengang angesehen.

Professionelle Übung

Belgische Elektroingenieure inspizieren den Rotor einer 40.000-Kilowatt -Turbine der General Electric Company in New York City

In den meisten Ländern stellt ein Bachelor-Abschluss in Ingenieurwissenschaften den ersten Schritt zur beruflichen Zertifizierung dar, und der Studiengang selbst wird von einer Berufsorganisation zertifiziert . Nach Abschluss eines zertifizierten Studiengangs muss der Ingenieur eine Reihe von Anforderungen (einschließlich Anforderungen an die Berufserfahrung) erfüllen, bevor er zertifiziert wird. Nach der Zertifizierung erhält der Ingenieur den Titel „ Professional Engineer “ (in den Vereinigten Staaten, Kanada und Südafrika), „ Chartered Engineer “ oder „ Incorporated Engineer “ (in Indien, Pakistan, Großbritannien, Irland und Simbabwe ), „Chartered Professional Engineer“ (in Australien und Australien). Neuseeland) oder European Engineer (in weiten Teilen der Europäischen Union ).

Das IEEE - Unternehmensbüro befindet sich im 17. Stock der 3 Park Avenue in New York City

Die Vorteile der Lizenzierung variieren je nach Standort. Beispielsweise darf in den Vereinigten Staaten und Kanada "nur ein zugelassener Ingenieur Ingenieurarbeiten für öffentliche und private Auftraggeber besiegeln". Diese Anforderung wird durch bundesstaatliche und regionale Gesetze wie den Engineers Act von Quebec durchgesetzt. In anderen Ländern gibt es keine solche Gesetzgebung. Praktisch alle Zertifizierungsstellen pflegen einen Ethikkodex , den sie von allen Mitgliedern erwarten, oder sie riskieren den Ausschluss. Auf diese Weise spielen diese Organisationen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung ethischer Standards für den Berufsstand. Selbst in Gerichtsbarkeiten, in denen die Zertifizierung wenig oder keinen rechtlichen Einfluss auf die Arbeit hat, unterliegen Ingenieure dem Vertragsrecht . In Fällen, in denen die Arbeit eines Ingenieurs fehlschlägt, kann er oder sie der unerlaubten Handlung der Fahrlässigkeit und im Extremfall der Anklage der kriminellen Fahrlässigkeit unterliegen . Die Arbeit eines Ingenieurs muss darüber hinaus zahlreiche weitere Vorschriften und Vorschriften einhalten, wie beispielsweise Bauordnungen und Gesetze zum Umweltrecht .

Bekannte Berufsverbände für Elektroingenieure sind das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und die Institution of Engineering and Technology (IET). Das IEEE behauptet, 30 % der weltweiten Literatur in Elektrotechnik zu produzieren, hat weltweit über 360.000 Mitglieder und hält jährlich über 3.000 Konferenzen ab. Das IET gibt 21 Zeitschriften heraus, hat weltweit über 150.000 Mitglieder und behauptet, die größte professionelle Ingenieurgesellschaft in Europa zu sein. Das Veralten technischer Fähigkeiten ist ein ernstes Problem für Elektroingenieure. Die Mitgliedschaft und Teilnahme an Fachgesellschaften, regelmäßige Rezensionen von Fachzeitschriften und die Gewohnheit des kontinuierlichen Lernens sind daher für die Aufrechterhaltung der Kompetenz unerlässlich. Ein MIET (Member of the Institution of Engineering and Technology) ist in Europa als Elektro- und Computer(technik)-Ingenieur anerkannt.

In Australien, Kanada und den Vereinigten Staaten machen Elektroingenieure etwa 0,25 % der Erwerbsbevölkerung aus.

Werkzeug und Arbeit

Vom Global Positioning System bis zur Stromerzeugung haben Elektroingenieure zur Entwicklung einer breiten Palette von Technologien beigetragen. Sie konzipieren, entwickeln, prüfen und überwachen den Einsatz elektrischer Anlagen und elektronischer Geräte. Sie können beispielsweise an der Konstruktion von Telekommunikationssystemen, dem Betrieb von Elektrizitätswerken , der Beleuchtung und Verkabelung von Gebäuden, der Konstruktion von Haushaltsgeräten oder der elektrischen Steuerung von Industriemaschinen arbeiten.

Satellitenkommunikation ist typisch für die Arbeit von Elektroingenieuren.

Grundlegend für die Disziplin sind die Wissenschaften Physik und Mathematik, da diese dazu beitragen, sowohl eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der Funktionsweise solcher Systeme zu erhalten. Heutzutage beinhalten die meisten Konstruktionsarbeiten die Verwendung von Computern , und es ist üblich, computergestützte Konstruktionsprogramme beim Entwerfen elektrischer Systeme zu verwenden. Trotzdem ist die Fähigkeit, Ideen zu skizzieren, immer noch von unschätzbarem Wert, um schnell mit anderen zu kommunizieren.

Das Shadow - Roboterhandsystem

Obwohl die meisten Elektroingenieure die grundlegende Schaltungstheorie verstehen werden (d. h. die Wechselwirkungen von Elementen wie Widerständen , Kondensatoren , Dioden , Transistoren und Induktivitäten in einer Schaltung), hängen die von Ingenieuren verwendeten Theorien im Allgemeinen von ihrer Arbeit ab. Beispielsweise könnten Quantenmechanik und Festkörperphysik für einen Ingenieur relevant sein, der an VLSI (dem Entwurf integrierter Schaltkreise) arbeitet, sind jedoch für Ingenieure, die mit makroskopischen elektrischen Systemen arbeiten, weitgehend irrelevant. Sogar die Schaltungstheorie ist möglicherweise nicht relevant für eine Person, die Telekommunikationssysteme entwirft, die handelsübliche Komponenten verwenden. Die vielleicht wichtigsten technischen Fähigkeiten für Elektroingenieure spiegeln sich in Universitätsprogrammen wider, die starke numerische Fähigkeiten , Computerkenntnisse und die Fähigkeit, die Fachsprache und Konzepte der Elektrotechnik zu verstehen, betonen.

Ein Laser , der an einem Acrylstab abprallt , veranschaulicht die interne Totalreflexion von Licht in einer optischen Multimode-Faser.

Eine breite Palette von Instrumenten wird von Elektroingenieuren verwendet. Für einfache Steuerkreise und Alarme kann ein einfaches Multimeter zur Messung von Spannung , Strom und Widerstand ausreichen. Wo zeitlich veränderliche Signale untersucht werden müssen, ist das Oszilloskop ebenfalls ein allgegenwärtiges Instrument. In der HF-Technik und Hochfrequenz-Telekommunikation werden Spektrumanalysatoren und Netzwerkanalysatoren verwendet. In einigen Disziplinen kann die Sicherheit bei der Instrumentierung ein besonderes Anliegen sein. Beispielsweise müssen Entwickler medizinischer Elektronik berücksichtigen, dass viel niedrigere Spannungen als normal gefährlich sein können, wenn Elektroden in direktem Kontakt mit inneren Körperflüssigkeiten stehen. Die Energieübertragungstechnik hat aufgrund der verwendeten hohen Spannungen auch große Sicherheitsbedenken; Obwohl Voltmeter im Prinzip ihren Niederspannungsäquivalenten ähnlich sein können, unterscheiden sie sich durch Sicherheits- und Kalibrierungsprobleme stark. Viele Disziplinen der Elektrotechnik verwenden fachspezifische Tests. Audio-Elektroniker verwenden Audio-Test-Sets , bestehend aus einem Signalgenerator und einem Messgerät, hauptsächlich zur Messung des Pegels, aber auch anderer Parameter wie Klirrfaktor und Rauschen . Ebenso hat die Informationstechnologie ihre eigenen Testsets, oft spezifisch für ein bestimmtes Datenformat, und das gleiche gilt für die Fernsehübertragung.

Radom auf der Misawa Air Base Misawa Security Operations Center, Misawa, Japan

Für viele Ingenieure macht die technische Arbeit nur einen Bruchteil ihrer Arbeit aus. Viel Zeit kann auch für Aufgaben aufgewendet werden, wie z. B. das Besprechen von Angeboten mit Kunden, das Erstellen von Budgets und das Festlegen von Projektzeitplänen . Viele leitende Ingenieure leiten ein Team von Technikern oder anderen Ingenieuren, und aus diesem Grund sind Projektmanagementfähigkeiten wichtig. Die meisten Ingenieurprojekte beinhalten irgendeine Form von Dokumentation und starke schriftliche Kommunikationsfähigkeiten sind daher sehr wichtig.

Die Arbeitsplätze von Ingenieurinnen und Ingenieuren sind so vielfältig wie ihre Aufgaben. Elektroingenieure können in der makellosen Laborumgebung einer Fabrik , an Bord eines Marineschiffs , in den Büros einer Beratungsfirma oder vor Ort in einer Mine gefunden werden. Während ihres Berufslebens beaufsichtigen Elektroingenieure möglicherweise eine Vielzahl von Personen, darunter Wissenschaftler, Elektriker , Computerprogrammierer und andere Ingenieure.

Die Elektrotechnik hat eine enge Beziehung zu den Naturwissenschaften. Beispielsweise spielte der Physiker Lord Kelvin eine wichtige Rolle bei der Konstruktion des ersten transatlantischen Telegrafenkabels . Umgekehrt hat der Ingenieur Oliver Heaviside wichtige Arbeiten zur Übertragungsmathematik von Telegrafenkabeln verfasst. Elektroingenieure werden oft für große wissenschaftliche Projekte benötigt. Beispielsweise benötigen große Teilchenbeschleuniger wie CERN Elektroingenieure, die sich um viele Aspekte des Projekts kümmern, darunter die Stromverteilung, die Instrumentierung sowie die Herstellung und Installation der supraleitenden Elektromagnete .

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Weiterlesen

Externe Links