„Das Elektron: Eine Biografie“ und die Entstehung des Lötens

Leute,

Mein Interesse an der Geschichte der Elektronik wurde geweckt, als ich Mitte der 1990er Jahre einen Vortrag des Nobelpreisträgers Arno Penzias zu diesem Thema besuchte. Penzias war Mitentdecker der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die die Urknall-Theorie zur Entstehung des Universums nachdrücklich untermauert.

Ein besonders eindrucksvoller Moment in Penzias’ Vortrag war, als er sagte: „Im Jahr 1972 kostete ein Megabyte Computerspeicher 1 Million Dollar. Das entsprach in etwa dem Preis eines kleinen Mehrfamilienhauses in New Jersey zu dieser Zeit. Heute (1994) könnte man für ein Megabyte Speicher nicht einmal ein Türscharnier für dieses Mehrfamilienhaus kaufen.“

Wenn ich über die rasanten Fortschritte in der Elektronik nachdenke, komme ich immer wieder auf diesen Gedanken zurück. Diese Fortschritte haben dazu geführt, dass ein heutiges Smartphone für 1.000 Dollar über eine Rechenleistung verfügt, die um ein Vielfaches höher ist als die des schnellsten Supercomputers von 1995 und sogar die Rechenleistung aller Supercomputer von 1990 übertrifft.

Beginnen wir mit einer einfachen Frage: Was macht die Moderne aus? Das Smartphone? Der Fernseher? Das Internet? Das elektrische Licht? Ich glaube, die Antwort ist viel einfacher: Elektrizität. Elektrizität ist die Grundlage für all das. Und ohne das Elektron gäbe es keine Elektrizität.

Die Geschichte des Elektrons

Das nützlichste Teilchen der Physik, das Elektron, entstand vor etwa 13,8 Milliarden Jahren beim Urknall. Das Elektron kam zusammen mit etwa^10⁸⁰ Geschwistern zur Welt. Seine Entstehung teilte es zudem mit der gesamten übrigen Materie, aus der später die Billionen und Billionen von Sternen im beobachtbaren Universum entstehen sollten. Diese Sterne sind so zahlreich, dass sie, wären sie jeweils ein Sandkorn, die Erde mehr als einen Meter tief bedecken würden.

Abbildung 1 zeigt eine Aufnahme des Weltraums, die vom James-Webb-Teleskop aufgenommen wurde. Die kleinen, roten Galaxien entstanden weniger als einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Daher sehen wir die Galaxien kurz nach ihrer Entstehung. Sie enthalten die jüngsten Elektronen, die je beobachtet wurden. Die Galaxien erscheinen rot, weil sie rotverschoben sind, da sie sich mit hoher Geschwindigkeit von uns entfernen.

Abbildung 1. Aufnahme des Webb-Teleskops aus dem tiefen Weltraum. Die roten Galaxien auf diesem Bild sind erst wenige hundert Millionen Jahre alt. Bildquelle: NASA, CSA und STScI; Bearbeitung: E. Siegel.

Das Elektron musste bis zum Jahr 1820 n. Chr. warten, bis es vom Menschen genutzt wurde. Es wäre jedoch ein Fehler, die Rolle dieses winzigen Teilchens bis dahin herunterzuspielen. Alle Materie in der Natur wird durch seine elektrische Kraft zusammengehalten, vom winzigen Virus bis hin zu einem massereichen Stern. Ohne die Eigenschaften des Elektrons gäbe es keine Materie.

Warum ist das Jahr 1820 n. Chr. von Bedeutung? In diesem Jahr machte Hans Christian Ørsted eine zufällige Entdeckung, die zu nützlichen Anwendungen der Elektrizität führte. Er hielt an der Universität Kopenhagen einen öffentlichen wissenschaftlichen Vortrag über die Erwärmungswirkung von Elektrizität. Dabei verwendete er eine Batterie, die 1800 von Volta erfunden worden war. Während des Vortrags stellte Ørsted überrascht fest, dass die Nadel eines Kompasses von der richtigen Richtung abwich, wenn man ihn in die Nähe eines stromführenden Drahtes hielt. Diese Entdeckung zeigte, dass Elektrizität und Magnetismus miteinander zusammenhängen. Anschließende Arbeiten von André-Marie Ampère, Michael Faraday und schließlich James Clerk Maxwell führten bis zum Jahr 1865 zur Formulierung der elektromagnetischen (EM-)Theorie in den Maxwell-Gleichungen. Diese Gleichungen bilden die Grundlage für die Konstruktion praktisch aller elektrischen Geräte.

Das Löten gab es schon vor Julius Cäsar (100 – 44 v. Chr.) – es ist also älter als er selbst. Die ersten Lötarbeiten wurden bereits um 3500 v. Chr. durchgeführt. Frühe Forscher wie Hans Christian Ørsted und Michael Faraday verwendeten jedoch kein Löten. Da die meisten ihrer elektrischen Verbindungen für ihre Experimente nur vorübergehend waren, griffen sie auf mechanische Mittel zurück oder tauchten die zu verbindenden Drähte sogar in einen Behälter mit Quecksilber.

Telegraf, Telefon und elektrisches Licht

Doch schon lange vor 1865 nutzten Erfinder den Elektromagnetismus. Eine der ersten Erfindungen, bei der Elektromagnetismus zum Einsatz kam, war der Telegraf. Samuel F. B. Morse perfektionierte ihn und wählte als Partner für die Umsetzung den Gründer meiner Alma Mater, Ezra Cornell. Die Bedeutung des Telegrafen kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Zusammen mit der Eisenbahn und der Fotografie machte er den Amerikanischen Bürgerkrieg zum ersten modernen Krieg. Präsident Lincoln war Stammgast im Telegrafenamt in Washington, D.C., und nutzte die Telegrafie, um den Krieg fernab der Schlachtfelder zu leiten. Der Einsatz von Zügen durch die Union zum Transport von Truppen und Nachschub war beispiellos und übertraf die Möglichkeiten des Südens bei weitem. Der Einsatz dieser beiden modernen Mittel durch den Norden trug maßgeblich zu seinem Sieg bei. Gleichzeitig machten Fotografen wie Mathew Brady den Menschen die Schrecken des Krieges vor Augen.

Die Erfindung des Telegrafen führte tatsächlich zur Entstehung des elektrischen Lötens, da nun eine dauerhafte Verbindung zwischen den Drähten und Bauteilen erforderlich war. Das Löten erfolgte mit Techniken, die von den damaligen Blechschmieden entwickelt worden waren. Verwendet wurde ein Zinn-Blei-Lot mit einem Verhältnis von 60 zu 40, was der Zusammensetzung 63 zu 37 nahekommt, die zuletzt aus dem kommerziellen Einsatz genommen wurde. Lötkolben bestanden aus einem zu einer Spitze geformten Kupferblock, der in glühenden Kohlen erhitzt wurde, ähnlich wie ein Schmied Metall erhitzt. Elektrische Lötkolben kamen erst in den 1890er Jahren auf. Es wurde Lötzinn in Stangen- oder Drahtform verwendet, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Ab Mitte des 19. Jahrhunderts wurden in der Telegrafenindustrie Lötstangen und Lötdraht zum Löten verwendet. Obwohl es die Indium Corporation damals noch nicht gab, ähnelte das in dieser Zeit verwendete Lot stark den heutigen Lötstangen und dem heutigen Lötdraht.

Die wahre Tragweite des Telegrafen zeigte sich durch seine Verbindung mit der Eisenbahn im Rahmen der transkontinentalen Eisenbahnstrecke. Die Eisenbahner baten den Kongress inständig um Geld für den Bau der Strecke von Küste zu Küste, da sie behaupteten, ein solch gewaltiges Unterfangen sei ohne finanzielle staatliche Hilfe nicht zu bewältigen. Ein nachgiebiger Kongress willigte ein – allerdings nur unter der Bedingung, dass die Eisenbahn entlang aller Gleise Telegrafenleitungen verlegen würde. Die transkontinentale Eisenbahnstrecke wurde 1869 unter großem Jubel fertiggestellt und hatte einen beeindruckenden Einfluss auf die Entwicklung des amerikanischen Westens.

Die „49er“, die aus Neuengland anreisten, brauchten bis zu acht Monate, um zu den kalifornischen Goldfeldern zu gelangen. Bis 1870 konnte die Reise in vier Tagen zurückgelegt werden, und man konnte Freunden und der Familie sofort per Telegraf mitteilen, dass man unterwegs war. Nie zuvor in der Geschichte gab es einen solchen Wandel. Im Jahr 1850 konnte es Monate dauern, bis eine Nachricht von New York City nach San Francisco gelangte. Im Jahr 1870 waren es nur noch wenige Minuten.

Im Jahr 1877 fand die Theorie des Elektromagnetismus ihre erste praktische Anwendung in Form einer Telefonleitung von Boston nach Somerville, Massachusetts, über eine Entfernung von 3 Meilen. Bis zum Jahr 1900 gab es in den Vereinigten Staaten fast 1,5 Millionen Telefone. Telefone führten zu einem Anstieg der Nachfrage nach Lötarbeiten. Zu dieser Zeit wurde die Verwendung eines elektrischen Lötkolbens zum Löten von Draht immer üblicher.

Man kann die Bedeutung von Telegrafie und Telefonie im Vergleich zur elektrischen Beleuchtung gar nicht hoch genug einschätzen. Mitte des 19. Jahrhunderts war Walöl oft die beste Wahl für die Beleuchtung in Privathaushalten. Es brannte sauber und hell, stank jedoch und kostete monatlich Hunderte von Dollar (nach heutigem Wert). Kerosin war ein willkommener Ersatz, insbesondere mit John D. Rockefellers „Standard Oil“. Doch kostengünstige elektrische Beleuchtung verdrängte all diese übelriechenden und gefährlichen Beleuchtungstechnologien. Die Einführung der elektrischen Beleuchtung löste den „Krieg der Ströme“ zwischen Edison einerseits und Tesla sowie Westinghouse andererseits aus. Spoiler-Alarm: Teslas Wechselstrom setzte sich durch. All diese Fortschritte führten dazu, dass immer mehr mit Lötdraht und Lötkolben gelötet werden musste.

Als elektrische Beleuchtung immer verbreiteter wurde, hielt das Radio Einzug. Anfangs nutzten Hobbybastler Kristalle aus Bleisulfid (Galenit), um die elektromagnetischen Wellen zu empfangen. Die Kristalle benötigten keine Verstärkung, doch da das Signal sehr schwach war, waren Kopfhörer erforderlich, um den Ton zu hören. Lee DeForests Erfindung der Trioden-Vakuumröhre revolutionierte das Radio, da die schwachen Signale nun verstärkt und an Lautsprecher weitergeleitet werden konnten. Nun konnte die ganze Familie eine Radiosendung hören. Überraschenderweise erlebte die Radiobranche keinen sofortigen Boom. Die Entwicklung des heutigen Geschäftsmodells (die Finanzierung des Radios durch Werbung) erfolgte nicht von heute auf morgen; sie dauerte fast ein Jahrzehnt.

Das Radio

In den 1930er Jahren wurde das Radio zu einem unverzichtbaren Bestandteil des amerikanischen Alltags. Während der Weltwirtschaftskrise dienten Radios für viele Familien als wichtigste Quelle für Nachrichten, Unterhaltung und ein Gefühl der Verbundenheit. Trotz finanzieller Schwierigkeiten machten die Erschwinglichkeit und der Nutzen des Radios es zu einem festen Bestandteil amerikanischer Haushalte. Bis 1930 besaßen über 40 % der amerikanischen Haushalte ein Radio, und bis zum Ende des Jahrzehnts hatte sich diese Zahl auf 83 % mehr als verdoppelt.

Die Rolle des Radios ging über die reine Unterhaltung hinaus; es war ein Mittel zur Stärkung des Zusammenhalts und zur Beruhigung der Bevölkerung. So boten beispielsweise die „Fireside Chats“ von Präsident Franklin D. Roosevelt den Bürgern in unsicheren Zeiten Trost und direkte Kommunikation.

Die Herstellung von Radios führte zur Entstehung der Elektronikmontageindustrie. Die Montage von Radios begann Ende der 1920er Jahre und hatte sich bis zum Zweiten Weltkrieg aufgrund der beispiellosen Nachfrage zu einem methodischen Prozess entwickelt. Die Einführung militärischer Spezifikationen sorgte zudem für Disziplin in den Montageprozessen. Ein Radio wie dieses wäre von Hand mit Lötzinn und Flussmitteln wiedem Lötdraht der Indium Corporation montiert worden.

Ein Radio wie dieses wäre von Hand mit Lötzinn und Flussmitteln wiedem Lötdraht der Indium Corporation zusammengebaut worden.

In den 1950er Jahren erlebte die Elektronik einen Aufschwung, als das Radio zunehmend vom Fernseher verdrängt wurde. Die weit verbreitete Einführung der Leiterplatte in den 1940er und 1950er Jahren reduzierte den Aufwand für Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen in Radios und Fernsehern. Zunächst wurde noch von Hand gelötet, doch in den 1950er Jahren hielt das Wellenlöten Einzug, bei dem Lötmaterial wie Lötstangen und Flussmittel der Indium Corporation zum Einsatz kamen. Das Wellenlöten ebnete den Weg für die Elektronikmontage in Computern.

Bleiben Sie dran und erfahren Sie, wie die Fernsehproduktion zur modernen Elektronikfertigung führte und die Herstellung von Privatkameras uns die Technologien bescherte, die das Smartphone erst möglich machten.

Zum Wohl,

Dr. Ron