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Theoretische Elektrotechnik


Das Gebiet der Theoretischen Elektrotechnik beschäftigt sich mit den theoretischen Grundlagen und deren Anwendung im Bereich Elektrotechnik. Sie bedient sich primär der Methoden und Beschreibungen von Mathematik und Physik mit dem Ziel, durch eine systematische Zusammenstellung von beobachteten Zusammenhängen auf allgemeine Fälle schließen zu können und so neue, technisch motivierte Probleme zu lösen.

Allgemeines

Im Prinzip kann jede technische Aufgabe zunächst durch Probieren gelöst werden. Diese empirischen Verfahren werden häufig in der Anfangszeit einer neuen Technologie angewendet, wie es auch in der Anfangszeit der Elektrotechnik Mitte des 19. Jahrhunderts der Fall war. Die empirische Lösung einer Aufgabe erfordert allerdings – vor allem bei komplexeren Aufgabenstellungen – einen großen Aufwand und viel Zeit. Beides lässt sich umso mehr verringern, je genauer die zugrunde liegenden Zusammenhänge, Wirkungsweisen und Gesetzmäßigkeiten bekannt sind. Die Theorie stellt im Rahmen eines Modells eine Zusammenfassung der ursprünglich durch Beobachtung gewonnenen Erfahrung und deren Zusammenhänge auf abstrakte Weise dar, um sie so universell auf möglichst viele Anwendungsfälle effizient übertragen zu können.

Im Bereich der theoretischen Elektrotechnik gibt es große Überschneidungen mit Teilbereichen der Physik (wie der Elektrodynamik) und den Methoden der Mathematik (z. B. Vektoranalysis). Sie ist daher kein eigenständiges Gebilde, sondern stellt einen Ausschnitt dar, deren Grenzen durch die technischen Anwendungen motiviert sind.

Aus historischen Gründen bedient sich die Elektrotechnik (und somit auch die Theorie der Elektrotechnik) in einzelnen Bereichen einer von der Physik bzw. von der Mathematik abweichenden Nomenklatur. Beispielsweise wird für die imaginäre Einheit (um eine Verwechslung mit dem Symbol I für den elektrischen Strom zu vermeiden) der Kleinbuchstabe [math]j[/math] benutzt, während in Mathematik und Physik [math]i[/math] verwendet wird. Die elektrische Stromdichte wird üblicherweise mit einem Großbuchstaben J gekennzeichnet, während in der Physik typischerweise ein kleines j dafür Verwendung findet.

Bereiche

Feldtheorie

Im Bereich der Feldtheorie beschäftigt sich die theoretische Elektrotechnik mit dem Strömungsfeld des elektrischen Stromes, mit dem elektrischen und magnetischen Feld, deren Zusammenhänge in den maxwellschen Gleichungen und im Bereich der Wechselwirkung mit Materie Niederschlag finden.

Bereiche wie die Elektrostatik befassen sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und Ladungsverteilungen. Die Elektrodynamik befasst sich neben der Magnetostatik und magnetischen Flüssen mit zeitlich veränderlichen Vorgängen wie elektromagnetischen Wellen, welche zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder fix verknüpfen.

Eine zentrale Rolle spielen Feldberechnungen, welche bei einfachen Geometrien analytisch gelöst werden können, wie es beispielsweise im Biot-Savart-Gesetz erfolgt. Dabei wird von der Vektoranalysis Gebrauch gemacht. Bei komplexen Aufgabenstellungen finden numerische Feldberechnungen mit der Finite-Elemente-Methode Anwendung.

Systemtheorie

Im Bereich der Systemtheorie beschäftigt sich die Theorie der Elektrotechnik mit der Leitungstheorie, welche unter anderem das Ausbreitungsverhalten von elektrischen Signalen entlang elektrischer Leitungen beschreibt. Die damit verknüpfte Schaltungstheorie beschreibt mit Hilfe der Abstraktion im Rahmen von Mehrpolen und im Rahmen von Netzwerkmodellen elektrische Schaltungen.

Dabei spielen in der Modellbildung und deren Vereinfachung lineare zeitinvariante Systeme eine wesentliche Rolle, da bei diesen Systemen sowohl die Superposition von Signalen gilt, als auch beliebige zeitliche Verschiebungen sich auf die Beziehung zwischen Ausgangs- und Eingangssignalen nicht auswirken. Zur Systemuntersuchung kommen verschiedene komplexe Differentialgleichungsmodelle und Transformationen wie die Fourier- und Laplace-Transformation zur Anwendung.

Die Grundlagen aus dem Bereich der Elektronik, welche im Bezug zu Halbleitern einen Teil der Festkörperphysik darstellt, dienen dazu, elektronische Bauelemente (wie Transistoren oder die Elektronenemission in Elektronenröhren) zu erklären.

Studienfach

Das Fach Theoretische Elektrotechnik (meist abgekürzt als TET) wird an vielen technischen Universitäten und Fachhochschulen im Zusammenhang mit dem Studium der Elektrotechnik als eigene Lehrveranstaltung angeboten. Da es die Grundlagen der Elektrotechnik vermittelt, wird es typischerweise innerhalb der ersten Semester gelehrt. Insbesondere die Feldtheorie und die Elektrodynamik zählen aufgrund der Abstraktionsebene und der Notwendigkeit zum Verständnis zu den eher schwierigeren Prüfungen im Studium.

Literatur

  • Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Theoretische Elektrotechnik – Eine Einführung. 18. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-78589-7.
  • P. Leuchtmann: Einführung in die elektromagnetische Feldtheorie. Pearson Studium, München 2005, ISBN 3-8273-7144-9.
  • Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie. Springer, Berlin, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-42018-5.
  • G. Wunsch, H.-G. Schulz: Elektromagnetische Felder. Verlag Technik, Berlin 1996, ISBN 3-341-01155-2.
  • K. Simonyi: Theoretische Elektrotechnik. J.A. Barth Verlag, Leipzig 1993.
  • E. Philippow: Nichtlineare Elektrotechnik. 2. Auflage. Akademische Verlagsgesellschaft Geest und Portig, Leipzig 1971.

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