Fachkunde Elektrotechnik - Das Handbuch für Einsteiger: Die Grundlagen der Elektrotechnik anschaulich und leicht verständlich erklärt - inkl. Formelsammlung, Übungen u. v. m. E-Book

Konstantin Ulferts

• Herausgeber: ONIX Media
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 241

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

  Elektrotechnik: Faszinierendes, praxisnahes und zukunftsorientiertes Fachwissen aus der Schlüsseltechnologie der Moderne für Studierende, Fachkräfte und Technikbegeisterte   Fasziniert Sie die Wissenschaft hinter Smartphone, Kühlschrank und Hausautomation? Vielleicht arbeiten Sie in einem entsprechenden Fachbereich und möchten Ihr Wissen vertiefen? Oder Sie denken über einen technischen Studiengang nach? Dann ist dieses Praxisbuch genau das, was Sie brauchen – tauchen Sie ein in die Welt der Elektrotechnik! Die Disziplin der Elektrotechnik macht unser modernes Leben erst möglich: Vom Wohnzimmerlicht über Ihren Induktionsherd bis zu Handy, Laptop oder Autopilot im Flugzeug – ohne die Details der Elektrotechnik wäre nichts davon denkbar. Wenn Sie dabei hinter die Kulissen blicken oder gar als Erschaffer tätig werden wollen, ist dieses Buch Ihr perfekter Wegbegleiter. Es führt Sie verständlich, Schritt für Schritt und systematisch in die Grundlagen der Elektrotechnik ein und verschafft Ihnen ein solides Verständnis rund um elektrische Grundlagen, Schaltkreise und Stromeigenschaften. Anschließend steigen Sie tiefer ein in wichtige Themen wie Netzwerke, Steuerungssysteme und elektromagnetische Felder, wobei Sie mit anschließenden Testfragen Ihr Wissen überprüfen und festigen können. Ist das nicht wahnsinnig kompliziert? Nicht, wenn es gut erklärt ist! Deshalb holt dieses Buch mit anschaulichen Erklärungen auch Laien genau dort ab, wo sie stehen, und Fortgeschrittene vertiefen ihr Wissen mit strukturierten Inhalten aus verschiedensten Spezialgebieten. Grundwissen kompakt: Machen Sie sich in Kürze mit den wichtigsten Konzepten der Elektrotechnik, Ladung & Spannung, Schaltkreisen & Komponenten sowie den Grundlagen der Wechselstromtechnik vertraut und entwickeln Sie ein gutes Verständnis der Disziplin. Elektrische Leistung, Elektromagnetismus & Induktion. Magnetfeld, Transformatoren, Faradays Gesetz, elektrische Leistungsberechnung – bauen Sie mit fundierten Kenntnissen auf Ihren Grundlagen auf. Fortgeschrittene Themen: Mit Wissen über Steuerungssysteme, elektromagnetische Felder und Wellen sowie die dazugehörigen Formeln und Anwendungen steigen Sie tief in die Materie ein und machen Ihre Kenntnisse praktisch nutzbar. Testen Sie sich: Abschließende Fragen inklusive Lösungen zu jedem Kapitel helfen Ihnen, Ihr Verständnis zu überprüfen und Lerninhalte langfristig zu festigen. Dieses Buch ist Ihr Einstieg in eine Welt voller Spannung, faszinierender Zusammenhänge und zukunftsweisender Wissenschaft. Ob Sie sich hobbymäßig für die Elektrotechnik interessieren, Ihre Kenntnisse vertiefen möchten oder sich systematisch und von der Pike auf in das Thema einarbeiten wollen – dieses Buch bietet Ihnen alles, worauf es wirklich ankommt. Also worauf warten Sie noch? Klicken Sie nun auf "Jetzt kaufen mit 1-Click" und entschlüsseln Sie schon bald die spannenden Grundlagen der Welt, die Sie Tag für Tag umgibt!

Leseprobe

Alle Ratschläge in diesem Buch wurden vom Autor und vom Verlag sorgfältig erwogen und geprüft. Eine Garantie kann dennoch nicht übernommen werden. Eine Haftung des Autors beziehungsweise des Verlags für jegliche Personen-, Sach- und Vermögensschäden ist daher ausgeschlossen.

Copyright © 2025 www.edition-lunerion.de

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Für Fragen und Anregungen:

[email protected]

Auflage 2025

Inhalt

Elektrotechnik als Schlüsseltechnologie der Moderne

Kapitel 1: Einführung in die Elektrotechnik

Was ist Elektrotechnik?

Die Bedeutung der Elektrotechnik in unserem Alltag

Grundlegende Begriffe und Konzepte

Elektrotechnische Sicherheit

Testen Sie nun Ihr Wissen

Kapitel 2: Elektrische Grundlagen

Elektrische Ladung und Strom

Spannung und Stromstärke

Widerstand und Ohmsches Gesetz

Energie und Leistung in elektrischen Schaltkreisen

Testen Sie nun Ihr Wissen:

Kapitel 3: Elektrische Schaltkreise und Komponenten

Aufbau und Funktion von elektrischen Schaltkreisen

Passive Bauelemente: Widerstände, Kondensatoren und Spulen

Aktive Bauelemente: Dioden und Transistoren

Elektrische Quellen und Generatoren

Testen Sie nun Ihr Wissen

Kapitel 4: Grundlagen der Wechselstromtechnik

Wechselstrom vs. Gleichstrom

Wechselstromkreise und Phasen

Wechselstromspannung und -stromstärke

Wechselstrommessungen und -analyse

Testen Sie nun Ihr Wissen

Kapitel 5: Elektromagnetismus und Induktion

Das Magnetfeld und seine Eigenschaften

Elektromagnetische Induktion und Faradays Gesetz

Transformatoren und ihre Anwendungen

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Testen Sie nun Ihr Wissen

Kapitel 6: Elektrische Leistung und Energie

Elektrische Leistungsberechnungen

Energieverbrauch und Effizienz

Stromrechnungen und Tarife

Erneuerbare Energien und Elektrotechnik

Testen Sie nun Ihr Wissen

Kapitel 7: Elektrische Schaltungen und Netzwerke

Serienschaltungen und Parallelschaltungen

Kirchhoffs Gesetze und Netzwerkanalyse

Steuerung und Schutz von elektrischen Schaltungen

Elektrische Messtechnik und Instrumente

Testen Sie nun ihr Wissen

Kapitel 8: Formelsammlungen und Anwendungen

Wichtige Formeln in der Elektrotechnik

Praktische Anwendungen und Beispiele

Elektrische Sicherheit und Notfälle

Zukünftige Entwicklungen in der Elektrotechnik

Transistorschaltungen und deren Anwendungen

Operationsverstärker und ihre Rolle in der Elektronik

Digitale Logik und Schaltungen

Mikrocontroller und deren Programmierung

Testen Sie nun ihr wissen

Kapitel 9: Elektrische Steuerungssysteme

Automatisierung und Steuerungstechnik

Programmierbare Logikcontroller (PLC)

Regelungstechnik und PID-Regler

Hausautomation und das "Internet der Dinge" (IoT)

Testen Sie nun Ihr Wissen

Kapitel 10: Elektromagnetische Felder und Wellen

Maxwell'sche Gleichungen und Elektromagnetische Felder

Elektromagnetische Wellen und drahtlose Kommunikation

Antennen und Strahlung von Elektrogeräten

Testen Sie nun Ihr Wissen

Formelsammlung Elektrotechnik

Quellenverzeichnis

Elektrotechnik als Schlüsseltechnologie der Moderne

Die Elektrotechnik ist eine Schlüsseltechnologie, die unsere moderne Welt gestaltet und prägt. Dieses Buch richtet sich an alle, die die Grundlagen und Anwendungen dieses faszinierenden Fachgebiets erlernen oder vertiefen möchten. Ob Sie als Studierende, Fachkräfte oder Technikbegeisterte in die Materie eintauchen – das Ziel ist es, Sie auf diesem Weg umfassend zu begleiten.

Im ersten Kapitel erhalten Sie eine Einführung in die Elektrotechnik und ihre Bedeutung für unseren Alltag. Hier werden die grundlegenden Begriffe, Konzepte und Sicherheitsaspekte, die für ein fundiertes Verständnis unverzichtbar sind, erklärt. Im weiteren Verlauf des Buches werden die physikalischen Grundlagen vertieft und die Funktionsweise elektrischer Schaltungen sowie die Komponenten, die diese ermöglichen, beleuchtet.

Themen wie Wechselstromtechnik, Elektromagnetismus, erneuerbare Energien und digitale Schaltungen zeigen, wie vielseitig und dynamisch die Elektrotechnik ist. Ebenso werden wichtige aktuelle Entwicklungen beleuchtet, darunter die Automatisierungstechnik und das Internet der Dinge (IoT). Praktische Beispiele, Formelsammlungen und Anwendungen erleichtern Ihnen dabei die Umsetzung des Gelernten in die Praxis.

Dieses Buch soll nicht nur Wissen vermitteln, sondern auch Inspiration für die Zukunft bieten. Elektrotechnik eröffnet unzählige Möglichkeiten, um Ihr Leben nachhaltiger, effizienter und vernetzter zu gestalten. Lassen Sie sich von den Inhalten dieses Buches dazu anregen, eigene Ideen und Projekte zu entwickeln.

Tauchen Sie ein in die Welt der Elektrotechnik – und lassen Sie sich begeistern!

Kapitel 1: Einführung in die Elektrotechnik

In diesem Kapitel erhalten Sie eine umfassende Einführung in das breite Thema der Elektrotechnik. Dabei stehen Fragen im Fokus wie „Was genau ist Elektrotechnik?“ oder „Welche historischen Meilensteine sollten Sie kennen?“. Auch wird beleuchtet, welche Bedeutung das Thema heute im Alltag einnimmt und welche grundlegenden Konzepte Ihnen vertraut sein sollten. Diese und viele andere Fragen werden im Folgenden ausführlich behandelt. Tauchen Sie nun in die spannende Welt der Elektrotechnik ein!

Was ist Elektrotechnik?

Elektrotechnik gehört zu den Ingenieurswissenschaften. Es handelt sich dabei um ein Teilgebiet, das sich mit der Forschung, Entwicklung und Anwendung von Elektrizität befasst. So spielen beispielsweise die Produktion und die Instandhaltung von elektrischen und elektronischen Geräten und Systemen eine wichtige Rolle.

Exkurs:

Der Unterschied zwischen elektrischen und elektronischen Geräten

Elektrische Geräte sind von elektronischen in diversen Merkmalen zu unterscheiden. Grundsätzlich ist das Konvertieren der Energie der Hauptunterschied zwischen beiden Gerätearten.

Elektronische Geräte konvertieren elektrische Energie in andere Energieformen – beispielsweise Wärme, Licht oder Ton. Um diesen Vorgang durchzuführen, steuern die elektronischen Geräte den Vorgang von sogenannten Elektronen. Elektronische Geräte benötigen sogenanntes Halbleitermaterial, um einen Stromfluss zu erzeugen.

Im Unterschied dazu verwenden elektrische Geräte Aluminium oder Kupferdrähte.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Spannungshöhe:

Elektrische Geräte arbeiten grundsätzlich mit hoher Spannung, elektronische mit niedriger Spannung. Daher ist auch der Stromverbrauch bei elektrischen Geräten wesentlich höher als bei elektronischen. Im heutigen Zeitalter ist außerdem bemerkbar, dass Elektronik sehr klein sein kann. Sie passt etwa auf einen Chip. Elektrik hingegen ist in der Regel deutlich größer.

Ein kurzer Einblick in die Geschichte

Die Geschichte der Elektrotechnik geht bis ins 18. Jahrhundert zurück. Erste große Meilensteine wurden von Wissenschaftlern wie Benjamin Franklin und Alessandro Volta mithilfe besonders innovativer Experimente erreicht. Doch was zeichnet diese Persönlichkeiten und ihre Entdeckungen genau aus?

Benjamin Franklin

Benjamin Franklin wurde am 17. Januar 1706 im US-amerikanischen Boston, Massachusetts, geboren. Zeit seines Lebens war er an zahlreichen Bereichen des Allgemeinwohls interessiert und arbeitete als Drucker, Verleger, Schriftsteller, Naturwissenschaftler, Erfinder und Staatsmann.

Er zählt zu den Gründervätern der Vereinigten Staaten und war am Entwurf der Unabhängigkeitserklärung beteiligt. Franklin war einer der Unterzeichner und handelte später auch den Allianzvertrag mit Frankreich aus. Aufgrund seines starken Verlangens, einen Beitrag zum Gemeinwohl zu leisten, ist er für zahlreiche Aktivitäten und Erfindungen bekannt. So ist Franklin auch für die erste Leihbibliothek der USA und die Erfindung des Blitzableiters bekannt.

Im Jahr 1752 führte Benjamin Franklin den berühmten Drachenversuch durch, bei dem er einen Drachen mit einer Metallspitze in ein Gewitter schickte und so nachwies, dass Blitze elektrische Entladungen sind. Dieser Entdeckung folgte später die Entwicklung des Blitzableiters, die Häuser zusätzlich vor Gewitterschäden schützen sollte.

Benjamin Franklin starb am 17. April 1790 im US-amerikanischen Philadelphia, Pennsylvania.

Alessandro Volta

Alessandro Antonio Anastasio Volta wurde am 18. Februar 1745 im italienischen Como geboren. Er galt als einer der bedeutendsten italienischen Physiker. Zu seinen größten Erfindungen gehört die Volta’sche Säule – heute besser bekannt als die elektrische Batterie. Die Batterie ermöglichte erstmals, elektrischen Strom zu erzeugen und zu speichern. Sie legte den Grundstein für die weitere Entwicklung der Elektrotechnik, denn nun konnte Energie gespeichert und dadurch länger genutzt werden. Geräte konnten mit Batterien betrieben werden, ohne dass sie permanent an ein fließendes Stromnetz angeschlossen sein mussten.

Durch Erfindungen wie diese ist er heute als einer der Begründer der Elektrizitätslehre bekannt. Nach ihm wurde die SI-Einheit für die elektrische Spannung benannt: Volt. Volta starb am 15. März 1827, ebenfalls in Como.

Ein weiterer Meilenstein wurde im Jahr 1831 gelegt, als Michael Faraday das Prinzip der elektromagnetischen Induktion entdeckte.

Michael Faraday

Michael Faraday (geboren am 22. September 1791 in Newington, Surrey, gestorben am 25. August 1867 in Hampton Court Green, Middlesex) war ein englischer Naturforscher. Er gilt als einer der wichtigsten Experimentalphysiker der Geschichte. Bekannt wurde er vor allem für die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion und der elektromagnetischen Rotation. Mit seinen Experimenten und Entdeckungen legte er den Grundstein für den Fortschritt der Elektroindustrie.

Faraday entdeckte, dass eine Änderung des magnetischen Feldes eine elektrische Spannung induziert. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion besagt entsprechend, dass eine Änderung des magnetischen Feldes in der Nähe eines Leiters eine elektrische Spannung in diesem Leiter erzeugt. Wenn beispielsweise ein Magnetfeld durch eine Spule bewegt wird, entsteht in der Spule eine elektrische Spannung. Faraday entwickelte damit das Grundprinzip für die Funktionsweise von Generatoren und Transformatoren.

In einem Generator wird mechanische Energie in Form von Bewegung in elektrische Energie umgewandelt. Diese ermöglichten erstmals, elektrische Energie in größeren Mengen zu erzeugen.

In einem Transformator wird die elektromagnetische Induktion verwendet, um die Spannung zu erhöhen oder zu verringern.

Auch die Erfindung des Telegrafen gilt als einer der wichtigsten Schritte in der Geschichte und Entwicklung der Elektrotechnik. Dies geschah im Jahr 1837 durch den Wissenschaftler Samuel Morse. Der Telegraf revolutionierte die Kommunikationstechnologie und ermöglichte es erstmals, Nachrichten über große Entfernungen hinweg in kürzester Zeit zu übermitteln.

Samuel Morse

Samuel Finley Breese Morse, geboren am 27. April 1791 in Charlestown, Massachusetts, war ein US-amerikanischer Erfinder und Professor für Malerei, Plastik und Zeichenkunst. Zu seinen wichtigsten Errungenschaften zählt die Erfindung des Schreibtelegrafen – dem sogenannten Morseapparat. Er war maßgeblich an der Erfindung des frühen Morsecodes beteiligt, weshalb dieser auch seinen Namen trägt. Später wurde der Code als Land Line Code oder American Morse Code bezeichnet. Gestorben ist Morse am 2. April 1872 in New York.

Ein Meilenstein, den nahezu jedes Kind im Schulunterricht kennenlernt, ist schließlich die Erfindung der Glühbirne durch Thomas Edison.

Thomas Alva Edison

Thomas Edison, geboren am 11. Februar 1847 in Milan, Ohio, war ein US-amerikanischer Erfinder und Elektroingenieur. Er war vor allem für besonders marktfähige Erfindungen bekannt, die seinen Unternehmergeist widerspiegelten. Seinen Schwerpunkt legte er auf Elektrizität und Elektrotechnik, beispielsweise mit Systemen für die Stromerzeugung und Stromverteilung. Größere Durchbrüche gelangen ihm durch Erfindungen im Bereich der Telekommunikation und Medien. Edison starb am 18. Oktober 1931 in West Orange, New Jersey.

An der Entwicklung der Glühbirne hatten schon seit vielen Jahren viele verschiedene Wissenschaftler gefeilt. Thomas Edison erfand jedoch den Aufbau und die Funktionsweise der Glühbirne in ihrer heutigen Form im Jahr 1879. Diese Glühbirne zeichnete sich durch Kohlefäden und eine perfekte Vakuumversiegelung aus. Angeblich sollte dies für etwa 40 Stunden Leuchtdauer ausreichen. Ein Test der sogenannten Kohlefadenlampe erfolgte noch im gleichen Jahr. Da dieser erfolgreich verlief, gilt der 21. Oktober 1879 als Erfindungsdatum der praktischen Glühbirne. Wer tatsächlich die erste Idee zur Glühbirne hatte, bleibt bis heute ungeklärt. Tatsache ist jedoch, dass Thomas Edison das Gerät perfektionierte. Schon ein Jahr später, 1880, ließ er diese Art Birne patentieren. Das Patent meldete Edison in den USA an. Zu einer Zeit, in der noch kein ausgefeiltes Stromnetz vorhanden war, galt dies als einer der größten Durchbrüche in der Welt der Physik.

Die Glühbirne war vor allem ein Durchbruch in der Beleuchtungstechnologie und leitete das Zeitalter der Elektrizität ein. Kerzen und Petroleumlampen als primäre Leuchtmittel gehörten nun der Vergangenheit an. Erstmals konnten Räume mit Hilfe von Elektrizität beleuchtet werden. Menschen konnten nunmehr auch die dunklen Stunden für produktive Arbeiten nutzen. Heute ist ein Leben ohne diese Art der Beleuchtung kaum mehr vorstellbar.

Ebenfalls im Jahr 1879 wurde die erste elektrische Eisenbahn auf einer Gewerbeausstellung in Berlin präsentiert. Sie fuhr damals mit einer Höchstgeschwindigkeit von 12 km/h.

Weitere wichtige Meilensteine in der Geschichte wurden im 20. Jahrhundert erreicht. 1931 wurde zum Beispiel das erste elektronische Fernsehgerät eingeführt. Besonders rasch entwickelte sich die Elektrotechnik jedoch nach 1950. Entwicklungen konnten in den vorherigen Jahren auch aufgrund des Zweiten Weltkrieges nicht besonders schnell vorangetrieben werden. In den 1950er Jahren wurden beispielsweise die ersten integrierten Schaltkreise entwickelt. Sie ermöglichten eine noch größere Miniaturisierung elektronischer Geräte und legten den Grundstein für die Entwicklung von Computern, Mobiltelefonen und anderen High-Tech-Geräten. Heutzutage sind elektronische Geräte so klein, dass sie gar auf winzige Chips passen.

Ein solcher Chip wurde erstmals in den 1970er Jahren entwickelt: Der erste Mikroprozessor. Er enthielt einen vollständigen Computerprozessor auf einem einzigen Siliziumchip. Mikroprozessoren revolutionierten die Computerindustrie und ermöglichten die Entwicklung von Personalcomputern, Laptops und später auch Smartphones. Etwas zuvor in den 1960er Jahren wurden digitale Kommunikationstechnologien wie das Modem entwickelt, das es erstmals ermöglichte, Daten über Telefonleitungen zu übertragen.

Mit Anbruch des neuen Jahrtausends entstanden schließlich zahlreiche moderne Entwicklungen, die heute noch eine große Rolle im Alltag spielen. So markierte etwa die Einführung des ersten iPhones im Jahr 2007 den Beginn des Smartphone-Zeitalters. Smartphones haben die Art und Weise revolutioniert, wie Kommunikation erfolgt, Informationen abgerufen und auf elektronische Dienste zugegriffen wird. Sie vereinen Funktionen wie Telefonie, Internetzugang, Kamera, GPS und vieles mehr in einem handlichen Gerät.

Ebenfalls seit den 2000er Jahren hat die Elektromobilität einen enormen Aufschwung erlebt. Die Entwicklung von leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien ermöglichte die Herstellung von Elektroautos mit immer größerer Reichweite. Elektroautos sollen eine nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren darstellen und sind spätestens seit der stärkeren Bewerbung durch Unternehmen wie Tesla immer beliebter. Außerdem spielt die Elektrotechnik heutzutage auch eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien. Die Effizienz von Solarzellen hat sich verbessert, Windkraftanlagen wurden leistungsfähiger und kostengünstiger, und es wurden neue Technologien wie Geothermie und Wellenkraft entwickelt. Letztlich hat sich in den letzten Jahrzehnten auch die Künstliche Intelligenz (KI) immer weiterentwickelt.

Durch fortschrittliche Algorithmen können Maschinen immer komplexere Aufgaben erlernen und ausführen – zahlreiche Arbeitsschritte, die Menschen früher reichlich Zeit und Kraft kosteten, können nun vollständig von Robotern und Rechnern übernommen werden. Das geht so weit, dass einige KIs (künstliche Intelligenzen) Arbeiten vollständig übernehmen, sodass menschliche Unterstützung nahezu überflüssig ist. Ein bekanntes Beispiel ist der Staubsaugroboter, der sich seit wenigen Jahren in immer mehr Haushalten finden lässt. Wo früher stundenlang gefegt und gewischt wurde, übernahm irgendwann die erste Maschine – der Staubsauger – die Hauptarbeit. Heutzutage gibt es sogar Roboter, die das Saugen ganz allein übernehmen. Es sind lediglich wenige Klicks notwendig, um den Roboter auf eine Zeit zu programmieren. Ein ähnliches Phänomen zeigt sich in der Entwicklung selbstfahrender Autos.

Übersicht: Anwendungsgebiete der Elektrotechnik

Beispiele für die Anwendungsgebiete der Elektrotechnik sind elektrische Maschinen, elektrische Bauelemente, Schaltungen aller Art, die Informatik und die Energietechnik. Die Palette der Einsatzgebiete ist breit und vor allem im modernen Alltag wichtig.

Ohne Elektrotechnik könnten andere Gebiete wie beispielsweise die Computerarchitektur nicht funktionieren!

Im heutigen Alltag werden Geräte, die durch Strom betrieben werden, ständig genutzt. Von einfachen Haushaltsgeräten bis hin zu leistungsstarken Computern, Steuerungstechniken und Rechnern – die Elektrotechnik ist aus dem derzeitigen Zeitalter nicht wegzudenken. Vielmehr kommt sie sogar in immer mehr Gebieten des Lebens zum Einsatz: Künstliche Intelligenz – basierend auf Elektrotechnik – nimmt derzeit bereits in vielen Bereichen vermehrt menschliche Arbeit ab. Die Entwicklung geht stetig voran. Es ist also davon auszugehen, dass eine solide Elektrotechnik in diesem Bereich immer mehr benötigt wird.

Auch in der Energiebranche wird das Thema immer größer. Der Ruf nach grüner Energie wird immer lauter und fossile Brennstoffe sollen möglichst durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt werden. Ein weiteres spannendes Beispiel ist die Automobilbranche. Elektroautos sind immer gefragter. Sie bieten eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Kraftfahrzeugen und sind stark im Rennen. Immer mehr Automarken möchten umsteigen oder zumindest einzelne Modelle anbieten. Dadurch wird auch die Elektrotechnik zunehmend wichtig.

Kurzum:

Im heutigen Zeitalter werden Fachkräfte, die sich in diesem Bereich auskennen, immer gefragter. Elektrotechnik bietet die Grundlage für viele technische Lösungen und die Entwicklung der Technologie. Daher spielt sie im heutigen Zeitalter eine immer größer werdende Rolle.

Einen detaillierteren Einblick zur Bedeutung der Elektrotechnik im modernen Alltag erlangen Sie im nächsten Abschnitt.

Die Bedeutung der Elektrotechnik in unserem Alltag

Die Elektrotechnik spielt eine immense Rolle in unserem Alltag und hat zahlreiche Auswirkungen auf verschiedene Bereiche unseres Lebens. Jeder Mensch benutzt Strom täglich, in vielen Fällen sogar, ohne es zu merken. Stellen Sie sich einmal einen normalen Morgen vor. Der Wecker klingelt und Sie stehen auf. Sie betreten das Badezimmer, schalten womöglich das Licht an, wenn es draußen noch dunkel ist, und machen sich frisch. Im Anschluss gehen Sie in die Küche und bereiten sich einen ersten Kaffee zu. Viele Menschen greifen heutzutage automatisch zum Handy. Möglicherweise recherchieren Sie dort etwas, schauen sich die Nachrichten an oder verbringen ein paar Minuten auf Social-Media-Kanälen. Vielleicht bereiten Sie Frühstück auf dem Herd zu oder holen sich ein paar Snacks aus dem Kühlschrank. Noch bevor Sie das Haus verlassen und sich auf den Weg zur Arbeit machen, haben Sie bereits viele Tätigkeiten unternommen, die nur durch Strom auf diese Art möglich sind. Der Wecker funktioniert über Strom oder Batterien. Auch Ihr Kühlschrank wird mit Elektrizität betrieben. Das Gleiche gilt für den Herd und das Licht im Badezimmer. Ihr Handy erhält Energie in Form von Strom, der durch das Akku generiert wird. Selbst die erste Tasse Kaffee wäre nahezu undenkbar, wenn Sie keine elektrische Energie im Haus hätten. Sie sehen also:

Strom ist überall.

Im Alltag sind nur die Effekte des Stroms sichtbar. Strom selbst ist nicht sichtbar. Jedoch ist Strom spürbar. Bei kleinen elektrischen Schlägen ist dies unangenehm, bei größeren Schäden sogar gefährlich. Sichtbar wird Strom nur in sehr seltenen Fällen, etwa bei einem Blitzschlag. Dies ist jedoch nur der Fall, da der Stromfluss so groß ist, dass er die Luft zum Leuchten bringt. Energie wird in dem Fall in Licht umgewandelt. Zur Umwandlung der Energie erfahren Sie jedoch in späteren Kapiteln noch mehr. An dieser Stelle soll der Hinweis ausreichen, dass Strom trotz seiner gewaltigen Kraft und seiner hohen Anwendungsvielfalt für das menschliche Auge hinter Regel unsichtbar bleibt.

Im Alltag ist Strom heutzutage kaum wegzudenken. Wie Sie bereits gesehen haben, ist er bereits für jeden alltäglichen Griff am Morgen verantwortlich. Auf dem Weg zur Arbeit begegnet er Ihnen dann an den Ampeln, Autoscheinwerfern und Laternen. Er bewegt die S-Bahn, er betreibt Computer und viele Maschinen.

Einfach gesagt, entsteht Strom durch kleine Teilchen, die sich bewegen. Er wird in einem Generator oder in einem Kraftwerk erzeugt – manchmal aber auch auf natürliche Art und Weise, wenn Sie z.B. an das Blitzbeispiel zurückdenken. Mehr Details erfahren Sie dazu in späteren Kapiteln. An dieser Stelle soll zunächst vorwiegend verdeutlicht werden, wie vielseitig er verwendet wird. Ganz generell geht es dabei darum, Energie nutzbar zu machen. Energie entsteht in der Natur schnell, beispielsweise wenn der Wind stark weht oder Wasser in Bewegung gesetzt wird. Damit sie nutzbar wird, muss sie umgewandelt werden. In modernen Stromnetzen ist vor allem der Transport von Energie Hauptaufgabe des Stroms. So kann der Mensch sie sich zunutze machen und beispielsweise Licht erzeugen. Die Energie bleibt letztendlich im Toaster, in der Lampe, im Fön oder im Handy. Häuser werden mit Steckdosen gebaut, die an das Stromnetzwerk angeschlossen sind. Dadurch kann sich jeder Mensch die Energie im Alltag zunutze machen.

Im modernen Alltag ist Strom aus keinem Bereich wegzudenken. Er vereinfacht zahlreiche Angelegenheiten. Dinge, die früher gar nicht möglich waren oder nur unter sehr hohem Aufwand geschehen konnten, sind heute dank elektrischer Energie kinderleicht. Niemand muss mehr ein großes Feuer zünden, um zu kochen. Es ist möglich, mit Menschen zu kommunizieren, die am anderen Ende der Welt wohnen. Zahlreiche kleine Alltagsgeräte erleichtern jeden Schritt vom Morgen bis zum Abend. Die größten Bereiche, in denen Strom eine hohe Relevanz hat, sind die folgenden:

Kommunikation

Haushaltsgeräte

Medizin und Gesundheitswesen

Verkehr und Transport

Energiesektor

Unterhaltung

Im Bereich der Kommunikation ermöglicht Elektrotechnik vor allem den Kontakt über große Entfernungen – und das häufig sogar in Echtzeit. Mobiltelefone, Internet, E-Mail und soziale Medien sind nur einige Beispiele für elektronische Kommunikationsmittel, die unseren Alltag prägen. Während Menschen früher auf lange Postwege angewiesen waren, ist es heutzutage einfach, sich über Nachrichten-Apps oder einen Handyanruf in Echtzeit zu unterhalten, egal, wo sich die andere Person befindet. Im Zeitalter von Social Media sind diese Kommunikationswege nicht mehr wegzudenken.

Auch im Haushalt ist die Elektrotechnik unverzichtbar geworden: Elektrische Geräte wie Kühlschränke, Waschmaschinen, Geschirrspüler und Mikrowellen befinden sich in nahezu jedem Haushalt. Sie erleichtern die täglichen Aufgaben und sparen Zeit. Die meisten Menschen können sich einen Haushalt ohne diese praktischen Helfer gar nicht mehr vorstellen.

In der Medizin hat die Elektrotechnik zu enormen Fortschritten geführt, welche eine moderne Gesundheitsversorgung ermöglichen. Wichtige Meilensteine sind beispielsweise bildgebende Verfahren wie MRT und CT-Scans, die Einblicke in tiefergehende Problematiken gewähren können. Auch medizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Defibrillatoren und Blutzuckermessgeräte sind bedeutende Schritte in der Entwicklung der Medizintechnik. Zusammengefasst ist die elektronische Technologie also entscheidend für die Diagnose, Behandlung und Überwachung von Krankheiten.

Elektrotechnik hat auch einen großen Einfluss auf den Verkehr- und Transportsektor. Elektroautos und Hybridfahrzeuge werden immer beliebter und tragen zur Reduzierung von Emissionen bei. Dies ist ein wichtiger Schritt, um hohe Nachhaltigkeitsziele, die von vielen Nationen angestrebt werden, zu erreichen. Zudem spielen elektronische Systeme wie Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrzeuge eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Sicherheit und Effizienz des Verkehrs. Das gilt sowohl im Bereich des Individualverkehrs als auch der öffentlichen Verkehrsmittel wie Bus und Bahn. Die Elektrotechnik legte letztlich auch die Basis für den Flugverkehr, sodass lange Strecken heutzutage in kürzester Zeit zurückgelegt werden können.

Elektrotechnik spielt weiterhin eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung, Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie. Diese wird im Zeitalter von Nachhaltigkeitszielen und grüner Energie immer wichtiger. Stromnetze, Solarenergieanlagen, Windkraftanlagen und andere erneuerbare Energien sind gefragter denn je. Ein Ausstieg aus fossilen Brennstoffen wird von den meisten Seiten angestrebt und elektrische Energie leistet einen bedeutenden Beitrag in diesem Bereich.

Im modernen Alltag spielt schließlich auch das Thema Unterhaltung eine wichtige Rolle: Elektrotechnik ist eng mit der Unterhaltungsindustrie verbunden, denn die Zeiten von Gladiatorenkämpfen in großen Stadien gehören längst der Vergangenheit an. Fernseher, Radios, Musik- und Film-Streaming-Dienste, Videospiele und Heimkinosysteme sind alle auf elektronische Technologie angewiesen. Die alltägliche Unterhaltung durch jene Medien und Technologien ist für viele Menschen nicht mehr wegzudenken.

Generell lässt sich sagen, dass Elektrotechnik wie der Motor des technischen Fortschritts wirkt. In allen Bereichen, in denen die Technologie neue Konzepte und Alltagsverbesserungen erwirken soll, ist Elektrotechnik von hoher Bedeutung. Ohne sie würden zahlreiche Geräte in diversen Branchen nicht funktionieren.

Grundlegende Begriffe und Konzepte

In diesem Kapitel erfahren Sie alles zu den wichtigsten grundlegenden Begriffen und Konzepten der Elektrotechnik. Was genau bedeutet Spannung und wie lautet das Ohm’sche Gesetz? Im Folgenden werden Sie sich mit den grundlegenden Bedeutungen der wichtigsten Begriffe auseinandersetzen – beachten Sie, dass Sie im späteren Verlauf des Buches noch mehr Details zu vielen dieser Begriffe erhalten.

Hintergrund: Was ist Strom?

Zu Beginn erfolgt eine Auseinandersetzung mit der grundlegenden Definition des Begriffes Strom, bevor im weiteren Verlauf des Buches eine detailliertere Betrachtung des Begriffs erfolgt.

Die Bewegung negativ geladener Teilchen, Elektronen, wird elektrischer Strom genannt. Fließt der Strom in eine Richtung gleichmäßig und mit gleicher Kraft, handelt es sich um Gleichstrom (auch DC – direct current – genannt). Wechselstrom (AC bzw. alternating current) ist ein Strom, der seine Stärke und Richtung rhythmisch ändert. Der Wechselstrom, mit dem viele Haushaltsgeräte betrieben werden, stammt aus einer Steckdose. Batterien versorgen beispielsweise Elektroautos mit Gleichstrom.

Wenn Strom fließt, transportieren Teilchen durch ihre Bewegung elektrische Energie. Energie kann dabei nicht verbraucht, sondern nur umgewandelt werden. Elektrische Energie wird somit in mehrere andere Energieformen umgewandelt, je nachdem, welches Gerät als „Verbraucher“ an den Strom angeschlossen ist. Beispielsweise wandelt ein Toaster elektrische Energie in Wärme um. Glühbirnen erwärmen sich, weil neben Lichtenergie auch elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Atom

Ein Atom ist ein Baustein aller festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe. Alle Eigenschaften eines Stoffes sowie auch das chemische Reaktionsverhalten werden durch dessen Atome festgelegt. Das beinhaltet sowohl die Eigenschaften der Atome als auch ihre Anordnung. Atome werden chemischen Elementen zugeordnet. Sie bilden die kleinste Einheit eines Elements. Unterschiedliche Atome beinhalten unterschiedliche Atome, die sich beispielsweise durch Größe und Masse unterscheiden. Als wichtigstes Unterscheidungskriterium wird jedoch die chemische Reaktionsfähigkeit gesehen. Atome können sich zu Molekülen oder festen Körpern miteinander verbinden (siehe auch Molekül).

Binäre Signale

Ein binäres Signal ist ein digitales Signal, das nur zwei mögliche Zustände annehmen kann: 0 und 1. Diese beiden Werte entsprechen in der Elektronik oft zwei unterschiedlichen Spannungspegeln, beispielsweise 0 Volt für „0“ und 5 Volt für „1“.

Binäre Signale sind die Grundlage der digitalen Technik und werden in Computern, Mikrocontrollern und digitalen Schaltungen verwendet. In einem Computer werden alle Daten – Zahlen, Buchstaben, Bilder oder Videos – durch lange Reihen von 0 und 1 dargestellt und verarbeitet. Auch in der Kommunikationstechnik spielen binäre Signale eine große Rolle, zum Beispiel in Netzwerken oder digitalen Übertragungsverfahren.

Ein einfaches Beispiel für ein binäres Signal ist ein Lichtschalter: Ist er aus, entspricht das einer 0, ist er an, entspricht das einer 1.

Zusammengefasst:

Ein binäres Signal ist ein digitales Signal mit nur zwei Zuständen, 0 und 1. Es bildet die Grundlage aller digitalen Systeme und wird in Computern, digitalen Schaltungen und der Kommunikationstechnik eingesetzt.

Dioden

Dioden gehören zu den sogenannten Halbleiterbauelementen, die aus Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium hergestellt werden (näheres dazu siehe Halbleiterbauelemente).

Dioden haben zwei Anschlüsse: Den sogenannten Anoden- und den sogenannten Kathodenanschluss. Sie lassen den elektrischen Strom nur in einer Richtung passieren, während sie ihn in der entgegengesetzten Richtung blockieren. Lässt eine Diode den Strom durchlaufen, handelt es sich um einen Betrieb mit Durchlassrichtung. Dabei wird mit positiver Spannung am Anodenanschluss und negativer Spannung am Kathodenanschluss gearbeitet. Die umgekehrte Variante nennt sich Betrieb in Sperrrichtung. Dabei liegt negative Spannung am Anodenanschluss vor und positive Spannung am Kathodenanschluss. Diese Richtung blockiert den Stromfluss.

Dioden werden in vielen elektronischen Schaltungen eingesetzt, beispielsweise um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Sie dienen auch als Schutzbauelemente, um elektronische Geräte vor Überspannungen zu schützen. Es gibt verschiedene Arten von Dioden, die in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden können. Zu den bekanntesten gehören die sogenannten Leuchtdioden – besser bekannt als LEDs.

Elektrische Netzwerke

Elektrische Netzwerke sind Systeme von elektrischen Komponenten, die miteinander verbunden sind und elektrische Signale oder Energie übertragen. Diese Netzwerke können aus einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen bestehen. Zu diesen Bauelementen gehören beispielsweise Widerstände, Spulen, Dioden und Transistoren. Im Allgemeinen werden zwei Hauptarten von elektrischen Netzwerken unterschieden: Die sogenannten passiven und die sogenannten aktiven Netzwerke.

Passive Netzwerke enthalten keine Stromquellen und bestehen aus passiven Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren und Spulen. Sie werden überwiegend zur Filterung, Anpassung oder Dämpfung von Signalen verwendet. Dagegen enthalten aktive Netzwerke Stromquellen wie Batterien oder Verstärker. Sie bestehen weiterhin aus aktiven Bauelementen wie Transistoren oder Operationsverstärkern. Aktive Netzwerke können Signale verstärken, modulieren oder verarbeiten.

Elektrische Schaltung

Eine elektrische Schaltung ist ein geschlossenes System, welches aus verschiedenen elektrischen Komponenten besteht. Häufig wird auch von einem elektrischen Schaltkreis gesprochen. Eine Schaltung bzw. ein Schaltkreis ist so konzipiert, dass sie bzw. er elektrische Signale oder Energie in einer bestimmten Art und Weise verarbeitet. Sie kann dabei aus einer Vielzahl von Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren oder Spulen bestehen.

Elektrische Schaltungen können verschiedene Funktionen erfüllen. Zu den wichtigsten gehören unter anderem die Verstärkung von Signalen, die Filterung von Frequenzen und die Steuerung von Geräten. Heutzutage finden sie sich in zahlreichen elektronischen Geräten wie Computern und Mobiltelefonen.

Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Schaltungen, von denen die wichtigsten die analogen Schaltungen, die digitalen Schaltungen und die integrierten Schaltungen sind. Analoge Schaltungen verarbeiten kontinuierliche Signale wie Audio- oder Videosignale. Digitale Schaltungen hingegen verarbeiten diskrete Signale in Form von Nullen und Einsen und werden in digitalen Computern und anderen digitalen Systemen eingesetzt. Integrierte Schaltungen (kurz ICs) integrieren eine große Anzahl von elektronischen Komponenten auf einem einzigen Halbleiterchip (mehr dazu erfahren Sie unter dem Begriff Integrierte Schaltungen).

Elektromagnetismus

Elektromagnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das die Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen und magnetischen Feldern beschreibt. Es ist eine der fundamentalen Kräfte in der Natur und spielt eine entscheidende Rolle in vielen technologischen Anwendungen. In der Physik beschreibt Elektromagnetismus die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Deren Beziehung gestaltet sich so, dass beide Felder eng miteinander verbunden sind. Sie haben daher gegenseitigen Einfluss aufeinander und können im Bereich der Energieerzeugung Anwendung finden. Heute spielt Elektromagnetismus eine entscheidende Rolle in vielen Bereichen der Technologie – beispielsweise in der Elektronik.

Die Grundlage des Elektromagnetismus ist die Theorie, dass elektrische Ladungen sich bewegende elektrische Felder erzeugen. Diese wiederum erzeugen magnetische Felder. Gleichzeitig entstehen durch sich verändernde magnetische Felder neue elektrische Felder. Diese Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet.

Eine der wichtigsten Meilensteine im Bereich Elektromagnetismus war die Formulierung der sogenannten Maxwell-Gleichungen. Sie wurden durch James Clerk Maxwell formuliert und beschreiben grundlegende Gesetze des elektromagnetischen Feldes.

James Clerk Maxwell

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (geboren am 13. Juni 1831 in Edinburgh, gestorben am 5. November 1879 in Cambridge) wurde vor allem für die Maxwell-Gleichungen bzw. die Feldtheorie bekannt, die einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Elektrodynamik lieferten. Maxwell galt als einer der bedeutendsten Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts und lieferte Meilensteine in der Physik, ohne die die heutige Elektrotechnik nicht so existieren würde. Zudem galt er als Brückenbauer zwischen der Mathematik und der Physik.

Die Maxwell-Gleichung

Mit Hilfe dieser Gleichungen konnte gezeigt werden, wie die elektrischen Felder miteinander agieren. Die Maxwell-Gleichungen sind vier Differentialgleichungen. Diese Differentialgleichungen lassen sich in den Worten der Schulphysik wie folgt ausdrücken:

Information – Was sind Differentialgleichungen?

Differentialgleichungen sind Gleichungen, in denen eine Funktion sowie Ableitungen dieser Funktion vorkommen können. Deren Lösung ist ebenfalls eine Funktion und keine Zahl. Eine Funktion stellt allgemein die Beziehung von zwei Mengen dar, deren Elemente meist x und y (das sind Buchstaben, die hier für die entsprechenden Zahlen der Gleichung einstehen) genannt werden.

Elektrische Felder werden von elektrischen Ladungen erzeugt.

Es gibt keine magnetischen Punktladungen (Monopole). Magnetische Feldlinien sind immer in sich geschlossen.

Durch veränderliche Magnetfelder werden elektrische Felder bzw. Spannungen erzeugt – die sogenannte elektromagnetische Induktion.

Durch zeitlich veränderliche elektrische Felder entstehen magnetische Felder (sogenanntes Durchflutungsgesetz).

Diese Gleichungen bilden die Grundlage für das Verständnis der Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern sowie für viele Anwendungen in der Technik und Wissenschaft. Die Maxwell-Gleichungen ermöglichen beispielsweise die Vorhersage von elektromagnetischen Wellen wie Licht oder Radiowellen.