Geschichte.

Ethernet wurde ursprünglich am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelt. Metcalfe sagt, dass er das Ethernet erstmals 1973 in einem Memo über das Potenzial von Ethernet an seine Vorgesetzten skizzierte. Er leitete das Protokoll von dem an der Universität von Hawaii entwickelten funkbasierten ALOHAnet ab. Daher auch der Name "Ether"-net (englisch für „Äther“, der nach historischen Annahmen das Medium zur Ausbreitung von (elektromagnetischen) Wellen wäre). Metcalfe selbst sagt, dass Ethernet über mehrere Jahre entwickelt worden sei und sich daher kein Anfangszeitpunkt festmachen ließe.  Ursprünglich war es also ein firmenspezifisches und nicht standardisiertes Produkt. Diese erste Version des Ethernet arbeitete noch mit 3 Mbit/s. 1976 veröffentlichten Metcalfe und sein Assistent David Boggs einen Artikel mit dem Titel  Robert Metcalfe verließ Xerox 1979, um die Nutzung von Personal Computern und LANs zu fördern, und gründete die Firma 3Com. Er überzeugte DEC, Intel und Xerox, mit ihm zusammenzuarbeiten, um Ethernet zum Standard zu machen. Ihre erste Ethernet-Version 1 wurde ab 1980 vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) in der Arbeitsgruppe 802 weiterentwickelt. Ursprünglich war nur ein LAN-Standard für Übertragungsraten zwischen 1 und 20 Mbit/s geplant. Ebenfalls 1980 kam noch eine sogenannte „Token-Access-Methode“ hinzu. Ab 1981 verfolgte das IEEE drei verschiedene Techniken: CSMA/CD (802.3), Token Bus (802.4) und Token Ring

Bitübertragungsschicht.

Ethernet basiert auf der Idee, dass die Teilnehmer eines LANs Nachrichten durch Hochfrequenz übertragen, allerdings nur innerhalb eines gemeinsamen Leitungsnetzes. Jede Netzwerkschnittstelle hat einen global eindeutigen 48-Bit-Schlüssel, der als MAC-Adresse bezeichnet wird. Das stellt sicher, dass alle Systeme in einem Ethernet unterschiedliche Adressen haben. Ethernet überträgt die Daten auf dem Übertragungsmedium dabei im sogenannten Basisbandverfahren und in digitalem Zeitmultiplex.

CSMA/CD-Algorithmus.

Ein Algorithmus mit dem Namen „“ ("CSMA/CD") regelt den Zugriff der Systeme auf das gemeinsame Medium. Es ist eine Weiterentwicklung des ALOHAnet-Protokolls, das in den 1970er-Jahren auf Hawaii zum Einsatz kam.  In der Praxis funktioniert dieser Algorithmus bildlich wie eine Diskussionsrunde ohne Moderator, auf der alle Gäste ein gemeinsames Medium (die Luft) benutzen, um miteinander zu sprechen. Bevor sie zu sprechen beginnen, warten sie höflich darauf, dass der andere Gast zu reden aufgehört hat. Wenn zwei Gäste zur gleichen Zeit zu sprechen beginnen, stoppen beide und warten für eine kurze, zufällige Zeitspanne, bevor sie einen neuen Anlauf wagen.  Die Stelle, die Daten senden möchte, lauscht also auf dem Medium (), ob es bereits belegt ist und sendet erst, wenn die Leitung frei ist. Da zwei Stellen gleichzeitig zu senden anfangen können, kann es trotzdem zu Kollisionen kommen, die dann festgestellt werden (), woraufhin beide Stellen noch kurz ein „Störung-Erkannt“-Signalmuster erzeugen, dann mit dem Senden aufhören und eine zufällige Zeit warten, bis sie einen erneuten Sendeversuch starten. Hierzu muss ein Sender während des Sendens zugleich auf dem Medium lauschen, ob ein anderer Sender mit ihm kollidiert.

Broadcast und Sicherheit.

In den ersten Ethernetimplementierungen wurde die gesamte Kommunikation über einen gemeinsamen Bus, der in Form eines Koaxialkabels realisiert war, abgewickelt. An diesen wurden alle Arbeitsstationen abhängig vom Kabeltyp entweder per T-Stück oder „Invasivstecker“ (auch Vampirklemme, Vampirabzweige oder genannt) angeschlossen. Jede Information, die von einem Computer gesendet wurde, wurde auch von allen empfangen. Die über Ethernet verbundenen Geräte müssen ständig Informationen ausfiltern, die nicht für sie bestimmt sind.  Diese Tatsache kann genutzt werden, um Broadcast- (deutsch: Rundruf)-Nachrichten an alle angeschlossenen Systeme zu senden. Bei TCP/IP beispielsweise verwendet das ARP einen derartigen Mechanismus für die Auflösung der Schicht-2-Adressen. Diese Tatsache ist auch ein Sicherheitsproblem von Ethernet, da ein Teilnehmer mit bösen Absichten den gesamten Datenverkehr auf der Leitung mitprotokollieren kann. Eine mögliche Abhilfe ist der Einsatz von Kryptographie (Verschlüsselung) auf höheren Protokollebenen. Die Vertraulichkeit der Verkehrsbeziehungen (wer tauscht mit wem in welchem Umfang wann Daten aus?) ist aber so nicht zu schützen.  Der Einsatz

Verbesserungen.

Switching.

Ethernet in seinen frühen Ausprägungen (z. B. 10BASE5, 10BASE2), mit einem von mehreren Geräten gemeinsam als Übertragungsmedium genutzten Kabel ( – im Unterschied zu dem späteren geswitchten Ethernet), funktioniert gut, solange das Verkehrsaufkommen relativ zur nominalen Bandbreite niedrig ist. Da die Chance für Kollisionen proportional mit der Anzahl der Sender (englisch „“) und der zu sendenden Datenmenge ansteigt, tritt oberhalb einer Auslastung von 50 % vermehrt ein als (Stau) bekanntes Phänomen auf, wobei Kapazitätsüberlastungen entstehen und somit eine gute Effizienz der Übertragungsleistung innerhalb des Netzwerks verhindert wird.  Um dieses Problem zu lösen und die verfügbare Übertragungskapazität zu maximieren, wurden Switches entwickelt (manchmal auch als, oder bezeichnet), man spricht auch von

Ethernet flow control.

(Flusskontrolle) ist ein Mechanismus, der die Datenübertragung bei Ethernet temporär stoppt. In CSMA/CD-Netzen konnte auf diese spezielle Signalisierung verzichtet werden, denn hier ist die Signalisierung einer Kollision praktisch gleichbedeutend mit einem Stopp- oder Pausensignal ("Back Pressure").  Seit Fast-Ethernet und der Einführung von Switches findet die Datenübertragung praktisch nur noch kollisionsfrei im Vollduplex-Modus statt. Da damit auf CSMA/CD verzichtet wird, ist eine zusätzliche Flusskontrolle erforderlich, die es einer Station beispielsweise bei Überlastung ermöglicht, ein Signal zu geben, dass sie zurzeit keine weiteren Pakete zugesandt haben möchte – anders als mit CSMA/CD gibt es keine Möglichkeit, einen Verlust und damit die Notwendigkeit einer erneuten Sendung anzuzeigen. Hierzu wurde Flow Control eingeführt. Damit kann eine Station die Gegenstellen auffordern, eine Sendepause einzulegen und vermeidet so,

Formate der Ethernet-Datenübertragungsblöcke und das Typfeld.

Historische Formate.

Es gibt vier Typen von Ethernet-Datenblöcken (englisch ):  Seit 1983 entsteht der Standard IEEE 802.3. Ethernet ist quasi ein Synonym für diesen Standard. IEEE 802.3 definiert zwei Frame-Formate:  Der ursprüngliche Xerox-Version-1-Ethernet-Datenblock hatte ein 16-bit-Feld, in dem die Länge des Datenblocks hinterlegt war. Da diese Länge für die Übertragung der Frames nicht wichtig ist, wurde es vom späteren Ethernet-II-Standard als Ethertype-Feld verwendet. Das Format von Ethernet I mit dem Längenfeld ist jetzt Teil des Standards 802.3.  Das Ethernet-II-Format verwendet die Bytes 13 und 14 im Frame als Ethertype. Auf ein Längenfeld wie im Ethernet-I-Frame wird verzichtet. Die Länge eines Frames wird nicht durch einen Zahlenwert, sondern durch die bitgenaue Signalisierung des Übertragungsendes übermittelt. Die Länge des Datenfeldes bleibt wie bei Ethernet I auf 1500 Bytes beschränkt. Auch das Ethernet-II-Format ist jetzt Teil

Aufbau.

Ethernet überträgt die Daten seriell, beginnend jeweils mit dem untersten, niederwertigsten Bit (der „Einerstelle“) eines Bytes. Das bedeutet, dass beispielsweise das Byte 0xD5 als Bitsequenz (links nach rechts) „10101011“ auf die Reise geht. Die Bytes der breiteren Felder werden als BigEndians übertragen, d. h. mit dem Byte mit der höheren Wertigkeit zuerst. Beispielsweise wird die MAC-Adresse im Bild 0x0040F6112233 in dieser Reihenfolge als „00 40 F6 11 22 33“ übertragen. Da das erste Bit eines Frames das Multicast-Bit ist, haben Multicastadressen

Die Präambel und SFD.

Die Präambel besteht aus einer sieben Byte langen, alternierenden Bitfolge „101010...1010“, auf diese folgt der Start Frame Delimiter (SFD) mit der Bitfolge „10101011“. Diese Sequenz diente einst der Bit-Synchronisation der Netzwerkgeräte. Sie war für all jene Geräteverbindungen notwendig, die die Bit-Synchronisation nicht durch die Übertragung einer kontinuierlichen Trägerwelle auch in Ruhezeiten aufrechterhalten konnten, sondern diese mit jedem gesendeten Frame wieder neu aufbauen mussten. Das alternierende Bitmuster erlaubte jedem Empfänger eine korrekte Synchronisation auf die Bit-Abstände. Da bei einer Weiterleitung über Repeater (Hubs) jeweils ein gewisser Teil der Präambel verloren geht, wurde sie in der Spezifikation groß

Ziel- und Quell-MAC-Adresse.

Die Zieladresse identifiziert die Netzwerkstation, die die Daten empfangen soll. Diese Adresse kann auch eine Multicast- oder Broadcast-Adresse sein. Die Quelladresse identifiziert den Sender. Jede MAC-Adresse der beiden Felder hat eine Länge von sechs Bytes bzw. 48 Bit.  Zwei Bit der MAC-Adresse werden zu ihrer Klassifizierung verwendet. Das erste übertragene Bit und damit Bit 0 des ersten Bytes entscheidet, ob es sich um eine Unicast- (0) oder Broadcast-/Multicast-Adresse (1) handelt. Das zweite übertragene Bit und

VLAN-Tag.

Im Tagged-MAC-Frame nach IEEE 802.1Q folgen zusätzlich vier Bytes als "VLAN-Tag". Die ersten beiden Bytes enthalten die Konstante 0x8100 (=802.1qTagType), die einen "Tagged-MAC-Frame" als solchen kenntlich machen. Von der Position her würde hier im "Basic-MAC-Frame" das Feld "Ethertype" stehen. Den Wert 0x8100 kann man damit auch als "Ethertype" für VLAN-Daten ansehen, allerdings folgt nach dem Tag noch der eigentliche Ethertype (s. u.). In den nächsten beiden Bytes ("TCI" Tag Control Information) stehen dann drei Bit für die Priorität ("Class of Service", 0 niedrigste, 7 höchste Priorität), ein Bit "Canonical

Das Typ-Feld (EtherType).

Das Typ-Feld gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der nächsthöheren Schicht innerhalb der Nutzdaten. Die Werte sind größer als 0x0600 (ansonsten ist das ein "Ethernet-I-frame" mit Längenfeld in dieser Position). Der spezielle Wert 0x8100 zur Kennzeichnung eines "VLAN-Tags" ist im Wertevorrat von "Type" reserviert. Ist ein VLAN-Tag vorhanden, darf das daran anschließende Typ-Feld nicht 0x8100 sein.  Werte im Typfeld ("EtherType") für einige wichtige Protokolle:  In

Nutzdaten.

Pro Datenblock können maximal 1500 Bytes an Nutzdaten übertragen werden. Die Nutzdaten werden von dem unter Type angegebenen Protokoll interpretiert. So

PAD-Feld.

Das PAD-Feld wird verwendet, um den Ethernet-Frame auf die erforderliche Minimalgröße von 64 Byte zu bringen. Das ist bei alten Übertragungsverfahren wichtig, um Kollisionen in der sogenannten Collision-Domain sicher zu erkennen. Präambel und SFD (8 Bytes) werden bei der

FCS (Frame Check Sequence).

Das FCS-Feld stellt eine 32-Bit-CRC-Prüfsumme dar. Die FCS wird über den eigentlichen Frame berechnet, also beginnend mit der Ziel-MAC-Adresse und endend mit dem PAD-Feld. Die Präambel, der SFD und die FCS selbst sind nicht in der FCS enthalten. Wenn ein Paket beim Sender erstellt wird, wird eine CRC-Berechnung über die Bitfolge durchgeführt und die Prüfsumme an den Datenblock angehängt. Der Empfänger führt nach dem Empfang die gleiche Berechnung aus. Stimmt die empfangene nicht mit der selbst berechneten Prüfsumme überein, geht der Empfänger von einer fehlerhaften Übertragung aus, und der Datenblock wird verworfen. Zur Berechnung der

Reihenfolge der Bits und Bytes.

Bei Ethernet werden Bytes ("Oktette") grundsätzlich mit dem niederstwertigen Bit voran übertragen (mit Ausnahme der Frame Check Sequence). Viele schnellere Varianten übertragen allerdings keine einzelnen Bits, sondern Mehrbit-Symbole oder ganze Oktette in einem Schritt. Felder, die aus mehreren Bytes bestehen, werden grundsätzlich mit dem höchstwertigen Oktett voran übertragen.

Umwandlung in einen Datenstrom.

Nachdem der Datenstrom als Folge von Bytes bereitgestellt wurde, werden nun abhängig vom physischen Medium und der Übertragungsrate ein oder mehrere Bits in einen Leitungscode kodiert, um einerseits die physischen Eigenschaften des Mediums zu berücksichtigen und andererseits dem Empfänger eine Taktrückgewinnung zu ermöglichen. So wird, je nach Code, die erlaubte Frequenz-Bandbreite nach unten (Gleichspannungsfreiheit) und oben limitiert.  In übertragungsfreien Zeiten, also zwischen zwei

Ethernet-Medientypen.

Die verschiedenen Ethernet-Varianten ("PHY"s) unterscheiden sich in Übertragungsrate, den verwendeten Kabeltypen und der Leitungscodierung. Der Protokollstack arbeitet bei den meisten der folgenden Typen identisch.  Eine erfolgreiche Verbindung zwischen zwei Anschlüssen ("Ports") wird als "Link" bezeichnet. Einige Varianten teilen den Datenstrom in mehrere Kanäle ("Lanes") auf, um Datenrate und Frequenzen auf das Medium anzupassen. Die jeweilige "Reichweite" ist die maximal mögliche Länge eines Links innerhalb der Spezifikation. Bei einer höheren Qualität des Mediums – insbesondere bei Glasfaser – können auch deutlich längere Links stabil funktionieren.  Die Varianten beziehen ihre Namen aus den verwendeten Spezifikationen: Bei 10-Mbit/s-Ethernet verwenden alle Varianten durchgehend Manchester-Code, keine Kodierung ist angegeben. Die meisten Twisted-Pair-Varianten verwenden spezielle Kodierungen, nur "-T" wird angegeben.  Die folgenden Abschnitte geben einen kurzen Überblick über alle offiziellen Ethernet-Medientypen. Zusätzlich zu diesen offiziellen Standards haben viele Hersteller proprietäre Medientypen entwickelt, häufig, um mit Lichtwellenleitern höhere Reichweiten zu erzielen.

10-Mbit/s-Ethernet.

Beim 10-Mbit/s-Ethernet kommt eine einfache Manchesterkodierung zum Einsatz, die je Datenbit zwei Leitungsbits überträgt (somit 20 MBaud). Mit dieser Verdopplung der Signalisierungsrate

100-Mbit/s-Ethernet.

Beim Übergang von 10- auf 100-Mbit/s-Ethernet () wurde die Signalisierungsebene weiter unterteilt, um auf eine klarere Definition dessen zu kommen, was den "PHY" (die physische Schicht, OSI-Schicht 1) vom MAC trennt. Gab es bei 10-Mbit/s-Ethernet "PLS" (Physical Layer Signaling, Manchester-Codierung, identisch für alle 10-Mbit/s-Standards) und "PMA" (Physical Medium Attachment, Coaxial-, Twisted-Pair- und optische Anbindungen), sind es bei Fast Ethernet nunmehr "PCS" (Physical Coding Sublayer) mit "PMA" sowie "PMD" (Physical Medium Dependent). PCS, PMA und PMD bilden gemeinsam die physische Schicht. Es wurden drei verschiedene PCS-PMA-Kombinationen entworfen, von denen jene für

Kupfer.

Während der 4B5B-Code ausreichend viele Signalwechsel für die Bitsynchronisation beim Empfänger garantiert, kann MLT-3 zur benötigten Gleichspannungsfreiheit nichts beitragen. Als „“ bekannte Übertragungsmuster können dabei das Scrambling kompensieren und dem Übertragungsmuster eine signifikante Gleichspannung überlagern (), die die Abtastung erschwert und zu einem Verbindungsabbruch der Endgeräte führt. Um gegen solche Angriffe immun zu sein, implementieren die PHY-Bausteine der Netzwerkkarten daher eine Gleichspannungskompensation.

Gigabit-Ethernet.

Bei 1000-Mbit/s-Ethernet (Gigabit-Ethernet; kurz: GbE oder GigE) kommen im Wesentlichen zwei verschiedene Kodiervarianten zum Einsatz. Bei 1000BASE-X (IEEE 802.3 Clause 36) wird der Datenstrom in 8-Bit breite Einheiten zerlegt und mit dem 8b10b-Code auf eine Symbolrate von 1250 MBaud gebracht. Damit wird ein kontinuierlicher, gleichspannungsfreier Datenstrom erzeugt, der bei 1000BASE-CX über einen Transformator auf einem verdrillten

2,5- und 5-Gbit/s-Ethernet.

2.5GBASE-T und 5GBASE-T, auch 2.5GbE und 5GbE abgekürzt und bisweilen zusammen "NBASE-T" oder "MGBASE-T" genannt, wird wie 1000BASE-T oder 10GBASE-T über Kupferkabel übertragen.  Effektiv sind 2.5GBASE-T und 5GBASE-T herunterskalierte Versionen von 10GBASE-T mit 25 % und

10-Gbit/s-Ethernet.

Der 10-Gbit/s-Ethernet-Standard (kurz: 10GbE oder 10GE) bringt zehn unterschiedliche Übertragungstechniken, acht für Glasfaserkabel und zwei für Kupferkabel mit sich. 10-Gbit/s-Ethernet wird für LAN, MAN und WAN verwendet. Der Standard für die Glasfaserübertragung heißt IEEE 802.3ae, die Standards für Kupfer sind IEEE 802.3ak und IEEE 802.3an.

Glasfaser.

Im LAN erreichen bedingt durch die Verfügbarkeit

Kupfer.

Der Vorteil von Kupferverkabelung gegenüber Glasfasersystemen liegt in der schnelleren Konfektionierung und der unterschiedlichen Nutzbarkeit der Verkabelung (viele Anwendungen über ein Kabel). Darüber hinaus ist die Langlebigkeit von Kupfersystemen nach wie vor höher als bei Glasfasersystemen (Ausbrennen und Verschleiß der LEDs/Laser) und die Kosten bei zusätzlich notwendiger (teurer) Elektronik.

Converged 10 GbE.

"Converged 10 GbE" ist ein Standard für Netzwerke bei denen 10 GbE und 10 GbFC verschmolzen sind. Zum Converged-Ansatz gehört auch das neue Fibre Channel over Ethernet (FCoE). Das sind FC-Pakete, die in Ethernet gekapselt sind und für die dann ebenfalls die Converged Ethernet-Topologie genutzt werden kann; z. B. sind dann entsprechend aktualisierte Switches (wegen Paketgrößen) transparent für FC- und iSCSI-Storage sowie für das LAN nutzbar.

25-Gbit/s und 50-Gbit/s Ethernet.

25 Gigabit (25GbE) und 50 Gigabit Ethernet (50GbE) wurden von einem Industriekonsortium zur Standardisierung vorgeschlagen und von IEEE 802.3 in Form einer Study Group untersucht.  25/50GbE sollen in Rechenzentren höhere Leistungen als 10GbE zu deutlich geringeren

40-Gbit/s und 100-Gbit/s Ethernet.

Die bisher schnellste Generation unterstützt 40 und 100 Gbit/s sowohl über Kupferkabel (Twinax) als

200-Gbit/s- und 400-Gbit/s-Ethernet.

Geschwindigkeiten und erwartete Standards schneller als 100 Gbit/s werden manchmal auch als "Terabit Ethernet" bezeichnet.  Im März 2013 begann die IEEE 802.3 "400 Gb/s Ethernet Study Group"

Kabel.

Kabellängen.

Die zulässige Gesamtlänge der Übertragungsstrecke beträgt in der Regel 100 m. Darin enthalten sind: Patchkabel haben schlechtere Übertragungseigenschaften. Sind die Patchkabel länger als 10 m, reduziert sich für jeden Meter Überschreitung die zulässige Länge des Installationskabels um jeweils 1,5 m.Besteht die Strecke nur aus Patchkabeln, ist die zulässige Regellänge ca. 70 m.  Wenn nicht anders angegeben, gelten die Längen für geschirmte und ungeschirmte Kabel gleichermaßen. Die Werte

Metro-Ethernet.

"Metro Ethernet Netze" (MEN) sind ethernetbasierte Metropolitan Area Network (MAN) Netze, die auf Carriergrade-Ethernet basieren. Nachdem mit der Einführung ausgefeilter Glasfasertechniken die Längenbeschränkungen

Power over Ethernet.

Ebenfalls zur Familie der Ethernet-Standards gehört IEEE 802.3af (IEEE 802.3 Clause 33). Das Verfahren beschreibt, wie sich Ethernet-fähige Geräte über das Twisted-Pair-Kabel mit Energie versorgen lassen. Dabei werden entweder die ungenutzten Adern der Leitung verwendet, oder es wird zusätzlich zum Datensignal ein Gleichstromanteil über die vier

Verwandte Standards.

Folgende Netzwerkstandards gehören nicht zum IEEE-802.3-Ethernet-Standard, unterstützen aber das Ethernet-Datenblockformat und können mit Ethernet zusammenarbeiten:

Ethernet ([] oder englisch []) ist eine Technik, die Software (Protokolle usw.) und Hardware (Kabel, Verteiler, Netzwerkkarten usw.) für kabelgebundene Datennetze spezifiziert, welche ursprünglich für lokale Datennetze (LANs) gedacht war und daher auch als LAN-Technik bezeichnet wird. Sie ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenframes zwischen den in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker und dergleichen). Derzeit sind Übertragungsraten von 1, 10, 100 Megabit/s (Fast Ethernet), 1000 Megabit/s (Gigabit-Ethernet), 2,5, 5, 10, 40, 50, 100, 200 und 400 Gigabit/s spezifiziert. In seiner ursprünglichen Form erstreckt sich das LAN dabei nur über ein Gebäude; Ethernet-Varianten über Glasfaser haben eine Reichweite von bis zu 70 km.

以太网(英语:Ethernet)是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。


Funktionsweise von einfachen und zusammengesetzten Mikroskopen.

Lichtmikroskopie kann mit „einfachen“ oder mit „zusammengesetzten“ Mikroskopen durchgeführt werden. Heutige Mikroskope sind typischerweise „zusammengesetzte Mikroskope“.

Einfache Mikroskope.

Einfache Mikroskope besitzen nur ein einzelnes optisches System zur Vergrößerung und funktionieren wie eine Lupe (zum Prinzip der Vergrößerung siehe dort). Ursprünglich verwendete man dazu nur eine einzelne Glaslinse. Um die für Mikroskope typische starke Vergrößerung zu erreichen benötigt man eine sehr kurze Brennweite. Durch die damit verbundene starke Krümmung der Linsenoberfläche muss die Linse einen kleinen Durchmesser im Millimeterbereich haben. Sie muss mit entsprechend geringem Abstand dicht vor das Auge gehalten werden was anstrengend ist und zur geringen allgemeinen Verbreitung dieser Mikroskope führte. Im einfachsten Fall bestand ein einfaches Mikroskop nur aus einer Glaslinse und einer Halterung für diese.  Die bekanntesten dürften jene von Antonie van Leeuwenhoek gebauten Geräte sein, mit denen ihm Ende des 17. Jahrhunderts zahlreiche wissenschaftliche Entdeckungen gelangen. Der in der Abbildung dargestellte Nachbau eines solchen Mikroskops wird mit der Seite, die auf der Unterlage liegt, dicht vor das Auge gehalten. Rechts im Bild ist am Ende einer Raute eine Spitze zu sehen, auf die das Präparat montiert wurde. Darunter ist die Glaslinse in die Metallplatte eingelassen.  Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Varianten einfacher Mikroskope entwickelt wie z. B. das "Flohglas", das Zirkelmikroskop, einfache "Screw-barrel"-Mikroskope, klassische Präpariermikroskope und die sog. botanischen Mikroskope. Auf der Suche nach besserer Abbildungsqualität verwendete man im 19. Jh. auch Edelsteinlinsen wegen ihres hohen Brechungsindex und damit geringerer sphärischer Aberration, oder eine Kombination aus zwei oder drei Plankonvexlinsen (Doublet, Triplet) ebenfalls zur Verringerung von Abbildungsfehlern. Es gab auch einfache Mikroskope mit kombinierbaren Einzellinsen mit Schraubfassung zur Änderung der Vergrößerung."" Solche einfachen Mikroskope wurden noch bis Ende des 19. Jh. angeboten. Z.B. stellte Zeiss nach Firmengründung in Jena ab den 1850er Jahren Doublets bis 125facher Vergrößerung und Triplets bis 300facher Vergrößerung her, 1895 noch ein Doublet 70fach.  Da ein einfaches Mikroskop mit hoher Vergrößerung dicht vor das Auge gehalten werden muss ist eine Beleuchtung des Präparats meist nur von der Rückseite möglich. Es wird dabei also in der Regel mit Durchlicht-Beleuchtung gearbeitet. Es gab aber seit der Erfindung eines die Linse umschließenden, zum Objekt gerichteten Beleuchtungs-Hohlspiegels durch Johann Lieberkühn (1740) auch die Möglichkeit der Auflichtbeleuchtung. Die geringer vergrößernden damaligen einfachen "Naturforschermikroskope" waren meist Auflichtmikroskope.

Zweistufige Vergrößerung beim zusammengesetzten Mikroskop.

Zusammengesetzte Mikroskope bestehen aus mindestens zwei hintereinander geschalteten optischen Systemen mit jeweils eigener Vergrößerung. Das vordere, das Objektiv, erzeugt ein vergrößertes reelles Bild, das Zwischenbild, welches vom Okular ein zweites Mal vergrößert wird. Das Okular funktioniert dabei wie eine Lupe und erzeugt ein virtuelles Abbild des Zwischenbildes. Die Gesamtvergrößerung des Mikroskops ist das Produkt aus Objektivvergrößerung und Okularvergrößerung. Bei einem 20x Objektiv und einem 10x Okular beträgt die Gesamtvergrößerung also 200x.  Die ersten zusammengesetzten Mikroskope bestanden aus nur zwei Einzellinsen, sehr bald wurde das Okular zur Vergrößerung des nutzbaren Bildfeldes und Verringerung der Abbildungsfehler aus zwei Linsen zusammengesetzt (z. B. Huygens-Okular). In modernen Mikroskopen bestehen Objektive und Okulare aus mehreren Linsen, um verschiedene optische Abbildungsfehler auszugleichen. Hier ist etwa die chromatische Aberration zu nennen, die erst im 19. Jahrhundert durch Einführung neuer Glassorten begrenzt werden konnten. Da sich die Abbildungsfehler von Objektiv und Okular multiplizieren, waren zusammengesetzte Mikroskope den einfachen Mikroskopen zunächst unterlegen. Die Objektive und Okulare sind in der Regel wechselbar, so dass die Vergrößerung der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst wird.

Bauweisen von zusammengesetzten Mikroskopen.

Durchlicht- oder Auflichtmikroskopie.

Je nachdem von welcher Seite das Licht auf das Präparat fällt, wird zwischen Auflicht- und Durchlicht-Beleuchtung beziehungsweise zwischen Auflicht- und Durchlichtmikroskopie unterschieden.  Bei der "Durchlichtmikroskopie" wird die Beleuchtung von hinten durch das Präparat hindurchgeleitet, bevor es vom Objektiv des Mikroskops aufgefangen wird (orangene Pfeile in der Schemazeichnung). Daher sind durchsichtige oder dünn geschnittene Präparate erforderlich. Diese Technik wird beim häufigsten mikroskopischen Verfahren angewendet, der Durchlicht-Hellfeldmikroskopie.  Bei der "Auflichtmikroskopie" wird das Licht entweder vom Mikroskop kommend durch das Objektiv auf das Präparat geleitet (hellblaue Pfeile) oder von der Seite eingestrahlt (grüner Pfeil). Das vom Präparat reflektierte Licht wird wiederum vom Objektiv aufgefangen. Auflichtmikroskopie ist auch mit undurchsichtigen Präparaten möglich. Solche Präparate sind etwa in den Materialwissenschaften häufig, wo Probestücke eines Materials geschliffene und polierte oder auch angeätzte Oberflächen erhalten, die dann mikroskopisch untersucht werden. Auflichtbeleuchtung durch das Objektiv ist auch bei der Fluoreszenzmikroskopie weit verbreitet. Stereomikroskope arbeiten meist mit seitlicher Auflichtbeleuchtung.  Eine seitliche Beleuchtung (magenta-farbener Pfeil) wurde oder wird bei manchen Spezialverfahren verwendet (siehe Spaltultramikroskop und Lichtscheibenmikroskopie).

Aufbau eines typischen zusammengesetzten Durchlicht-Mikroskops.

Die Baugruppen eines typischen Durchlicht-Mikroskops wirken wie folgt zusammen:  Die Beleuchtung des Präparats kann mittels kritischer Beleuchtung oder Köhlerscher Beleuchtung erfolgen (s. u.).

Tubuslänge, Endlichoptik und Unendlichoptik.

Die Objektive von älteren oder kleineren Mikroskopen sind angepasst an eine definierte Tubuslänge und erzeugen in einem genau definierten Abstand ein reelles Zwischenbild, das dann durch die Okularoptik vergrößert wird. Die Hersteller einigten sich auf eine Tubuslänge von 160 mm, bei älteren Mikroskopen kann diese Tubuslänge abweichen. So fertigte die Firma Leitz/Wetzlar nach einem hauseigenen Standard von 170 mm.  Diese definierte Tubuslänge bringt allerdings einige Nachteile mit sich. So können optische Elemente und Baugruppen nicht einfach in den Strahlgang eingefügt werden, da z. B. einfach der Platz hierfür nicht ausreichte. Neuere Mikroskope sind daher mit einer sogenannten „Unendlichoptik“ ausgestattet. In diesem Fall erzeugt das Objektiv kein reelles Zwischenbild, sondern das Licht verlässt das Objektiv als unendliche parallele Strahlen, was einen „unendlich“ langen Tubus ermöglicht. Somit können in den Strahlengang beliebig viele Zwischenelemente wie Filter, Strahlteiler etc. eingefügt werden. Da aus den parallel verlaufenden Lichtstrahlen kein Bild entstehen kann, befindet sich am Ende von unendlich-Tuben eine Tubuslinse. Diese erzeugt aus den parallelen Lichtstrahlen ein reelles Zwischenbild das dann wieder durch die Okularoptik vergrößert werden kann. Unendlich Optik-Objektive erkennt man in der Regel an dem aufgebrachten ∞ (Unendlichzeichen).  In Abgrenzung zur Unendlichoptik wird die klassische Optik mit fester Tubuslänge als „Endlichoptik“ bezeichnet. Auf entsprechenden Objektiven ist die Länge des vorgesehenen Tubus in Millimetern angegeben, etwa 160 oder 170.

Aufrechte und inverse (auch: umgekehrte) Mikroskope.

Ein Mikroskop, bei dem sich das Objektiv oberhalb des Präparats befindet wird als aufrechtes Mikroskop bezeichnet. Bei Durchlicht-Mikroskopen kommt das Licht dann von unten zum Präparat. Darüber ist das Objektiv, durch das das Licht nach oben zum Okular geht. Dies ist die häufigere Bauart.  Wird dieser Lichtweg umgekehrt, dann spricht man von einem inversen oder umgekehrten Mikroskop. Bei Durchlicht-Beleuchtung fällt das Licht hier von oben auf das Präparat, darunter befindet sich das Objektiv. Um ein bequemes Arbeiten zu ermöglichen wird das Licht dann umgelenkt, so dass in die Okulare von oben hineingeschaut werden kann (siehe Abbildung).  Inverse Mikroskope werden beispielsweise zur Beobachtung von Zellkultur-Zellen eingesetzt, da sich die Zellen am Boden des Kulturgefäßes aufhalten. Der Abstand von den Zellen zum Objektiv wäre bei einem aufrechten Mikroskop zu groß. Mikroskope mit dieser Bauform sind ein unerlässliches Instrument für Untersuchungen an lebenden Zellen in Kulturgefäßen (Zellkultur), z. B. in der Patch-Clamp-Technik sowie bei Einsatz von Mikromanipulatoren, die von oben an das Präparat herangeführt werden.

Beleuchtung des Präparats.

Um das Gesichtsfeld hell auszuleuchten gibt es zwei verbreitete Beleuchtungsverfahren. Die "kritische Beleuchtung" ist die historisch ältere. Sie wird heute noch in manchen sehr einfachen Mikroskopen verwendet. Die von August Köhler entwickelte "Köhlersche Beleuchtung" erlaubt eine gleichmäßigere Beleuchtung des Präparats. Sie ist heute Standard in Routine- und Forschungsmikroskopen. Durchlicht-Hellfeldmikroskopie mit Köhlerscher Beleuchtung ist typischerweise der Ausgangspunkt für die Anwendung von speziellen lichtmikroskopischen Kontrastverfahren wie Phasenkontrast und Differentialinterferenzkontrast. Beide Beleuchtungsmethoden wurden ursprünglich für Durchlicht-Hellfeldmikroskopie entwickelt, werden aber auch in anderen Verfahren verwendet, wie der Fluoreszenzmikroskopie.

Kritische Beleuchtung.

Bei der kritischen Beleuchtung wird ein verkleinertes Abbild der Lichtquelle in der Präparateebene erzeugt. Wenn als Lichtquelle eine Glühbirne verwendet wird, wird also der Glühwendel mit Hilfe des Kondensors in der Schärfeebene abgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Präparat mit der maximal möglichen Helligkeit beleuchtet wird. Die Brennweite eines Mikroskopkondensors ist meist ziemlich kurz. Um ein Bild der Lichtquelle in der Schärfeebene des Mikroskops erzeugen zu können muss erstens der Kondensor dicht am Präparat positioniert sein. Zweitens muss die Lichtquelle vergleichsweise weit vom Kondensor entfernt sein, so dass sie deutlich vor seiner vorderen Brennebene liegt. Um zu verhindern, dass das Bild des Glühwendels die Erkennung von Präparatstrukturen erschwert, wird ein Mattglas-Filter in den Beleuchtungstrahlengang gelegt, unterhalb des Kondensors. Sollte dies nicht ausreichend sein kann der Kondensor etwas abgesenkt werden, so dass das Bild des Glühwendels unscharf wird. Wenn zur Beleuchtung keine Lampe, sondern ein Spiegel für Tageslicht eingesetzt wird, ist dieser meist auf einer Seite plan und auf der anderen Seite hohl. Der Hohlspiegel kann für Objektive mit geringer Vergrößerung eingesetzt werden, wenn der Kondensor entfernt wurde. Bei höheren Vergrößerungen muss die Beleuchtung auf einen kleineren Bereich des Präparats kondensiert werden. Dies geschieht mit dem Kondensor unter Verwendung des Planspiegels. Mit Tageslichtbeleuchtung kann es bei kritischer Beleuchtung zur Abbildung von Strukturen aus der Umgebung wie Fensterrahmen kommen. Auch hier hilft ein Mattglas-Filter unter dem Kondensor oder eine Kondensor-Absenkung.

Köhlersche Beleuchtung.

August Köhler beschäftigte sich Ende des 19. Jahrhunderts mit der Mikrofotografie, also der Fotografie mit Hilfe eines Mikroskops. Bei direkter Beobachtung durch das Okular war die ungleichmäßige Helligkeit des Gesichtsfeldes bei kritischer Beleuchtung vergleichsweise wenig störend, da das Präparat je nach Bedarf hin und her verschoben werden konnte. Bei der Mikrofotografie führte eine ungleichmäßige Ausleuchtung jedoch zu einer schlechten Bildqualität. Er entwickelte daher ein Verfahren, das eine gleichmäßige Helligkeit bei gleich hoher Gesamthelligkeit erlaubte. Er veröffentlichte dieses Verfahren, das heute nach ihm benannt ist, 1893. Der Vorgang des Einstellens der Köhlerschen Beleuchtung wird als köhlern bezeichnet.  Köhlersche Beleuchtung hat neben einer gleichmäßigen Gesichtsfeldausleuchtung noch einen weiteren Vorteil: Nur der Bereich des Präparats, der tatsächlich beobachtet wird, wird beleuchtet. Dadurch wird störendes Streulicht, das in benachbarten Bereichen entstehen würde, vermieden. Bei dieser Beleuchtungsart wird ein Bild der Lichtquelle nicht in der Präparateebene erzeugt, sondern in der Ebene der Blende unterhalb des Kondensors. Diese wird als Kondensorblende oder Aperturblende bezeichnet. In der Präparateebene wird dagegen ein Bild der Leuchtfeldblende (auch: Feldblende) scharf abgebildet. Diese Blende befindet sich in der Nähe der Lichtquelle, in der Regel ist sie im Mikroskopfuß fest eingebaut. Das Bild in der Präparateebene wird scharfgestellt, indem der Kondensor auf oder ab bewegt wird. Köhlersche Beleuchtung ist nur mit einer künstlichen Lichtquelle möglich.  Ein geköhlertes Mikroskop hat zwei miteinander in Beziehung stehende, verflochtene Strahlengänge und jeder der beiden hat mehrere 'konjugierte Ebenen', das heißt was in einer der Ebenen scharf abgebildet ist, ist auch in den anderen konjugierten Ebenen scharf. Die Köhlersche Beleuchtung kann als eine kritische Beleuchtung angesehen werden, bei der die Lichtquelle die Öffnung der Leuchtfeldblende ist.

Auflösung und Vergrößerung.

Bei optimaler Gerätebeschaffenheit und der Verwendung von Öl-Immersion lassen sich mit klassischer Lichtmikroskopie, wie sie im Wesentlichen im 19. Jahrhundert entwickelt wurde, bestenfalls Objekte voneinander unterscheiden, die 0,2 bis 0,3 μm oder weiter voneinander entfernt sind. Die erzielbare Auflösung ist dabei nicht durch die verfügbare Qualität der Geräte, sondern durch physikalische Gesetze bestimmt. Sie hängt unter anderem von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab.  Verfahren, die seit den 1990er Jahren entwickelt wurden und auf nicht-linearen Farbstoffeigenschaften beruhen, erlauben auch eine Auflösung unter diesem so genannten Abbe-Limit.  Entscheidend für die Fähigkeit eines Mikroskops, Strukturen kleiner Objekte unterscheidbar abzubilden, ist (neben dem Kontrast) nicht die Vergrößerung, sondern die Auflösung. Dieser Zusammenhang ist nicht allein durch strahlenoptische Überlegung zu verstehen, sondern ergibt sich aus der Wellennatur des Lichts. Ernst Abbe erkannte als erster den entscheidenden Einfluss der Numerischen Apertur auf die Auflösung. Er gab als "förderliche Vergrößerung"  an. Dies bedeutet, dass die kleinsten vom Objektiv aufgelösten Strukturen nach der Abbildung durch das Okular im Auge noch aufgelöst werden können, also etwa unter einem Winkel von 2′ (Bogenminuten) erscheinen. Wird die Vergrößerung höher gewählt (z. B. durch ein Okular mit hoher Vergrößerung), wird das Bild des Objekts zwar noch größer dargestellt, aber es sind keine weiteren Objektdetails erkennbar. Objektive und Okulare müssen also aufeinander abgestimmt sein.  Nach den Gesetzen der Wellenoptik ist die Auflösung des Lichtmikroskops durch die Größe der Wellenlänge der Beleuchtung beschränkt, siehe Numerische Apertur.

Auflösungen jenseits des Abbe-Limits.

1971 veröffentlichten Thomas Cremer und Christoph Cremer theoretische Berechnungen über die Erzeugung eines idealen Hologramms zur Überwindung der Beugungsgrenze, das ein Interferenzfeld in allen Raumrichtungen festhält, ein sogenanntes formula_2 Hologramm.  Seit den 1990er Jahren wurden einige Methoden entwickelt, die eine optische Auflösung jenseits des Abbe-Limits ermöglichen. Sie basieren alle auf Fluoreszenzmikroskopie und sind daher in diesem Artikel im Abschnitt Verfahren mit erhöhter Auflösung erwähnt.  Die folgenden neueren lichtmikroskopischen Entwicklungen erlauben eine Auflösung jenseits des klassischen Abbe-Limits:

Geschichte.

Das Prinzip der Vergrößerung durch mit Wasser gefüllte Glasschalen wurde bereits von den Römern beschrieben (Seneca) und Vergrößerungslinsen waren schon im 16. Jahrhundert bekannt.  Der niederländische Brillenschleifer Hans Janssen und sein Sohn Zacharias Janssen werden oft als die Erfinder des ersten zusammengesetzten Mikroskops im Jahr 1590 angesehen. Dies basiert jedoch auf einer Erklärung von Zacharias Janssen selbst aus der Mitte des 17. Jahrhunderts. Das Datum ist dabei fragwürdig, da Zacharias Janssen selbst erst 1590 geboren wurde. Galileo Galilei entwickelte 1609 das "Occhiolino", ein zusammengesetztes Mikroskop mit einer konvexen und einer konkaven Linse. Allerdings hatte Zacharias Janssen ein Gerät mit dem gleichen Funktionsprinzip bereits ein Jahr zuvor auf der Frankfurter Messe vorgeführt. Galileis Mikroskop wurde von der „Akademie der Luchse“ in Rom gefeiert, die im Jahr 1603 von Federico Cesi gegründet worden war. Eine Zeichnung des Akademiemitglieds Francesco Stelluti von 1630 gilt als älteste Zeichnung, die mit Hilfe eines Mikroskops angefertigt wurde. Auf ihr sind drei Ansichten von Bienen (von oben, unten und von der Seite) sowie Detailvergrößerungen zu sehen. Die Biene kam im Wappen der Familie Barberini vor, zu der Papst Urban VIII. gehörte. Stelluti schrieb in ein Banner oberhalb der Abbildung: „"Für Urban VIII. Pontifex Optimus Maximus [...] von der Akademie der Luchse, und in ewiger Verehrung widmen wir Euch dieses Symbol"“.  Christiaan Huygens (1629–1695), ebenfalls Niederländer, entwickelte im späten 17. Jahrhundert ein einfaches Zwei-Linsen-Okularsystem. Es war bereits achromatisch korrigiert, hatte also weniger Farbfehler und war deshalb ein großer Fortschritt bei der Verbesserung der Optik im Mikroskop. Okulare nach Huygens werden bis heute produziert, sind jedoch im Vergleich zu modernen Weitfeldokularen optisch deutlich unterlegen.  Auch Robert Hooke benutzte für die Zeichnungen seiner 1665 publizierten "Micrographia" ein zusammengesetztes Mikroskop (siehe Abbildung). Die stärksten Vergrößerungen, die er in seinem Buch darstellte, waren 50-fach. Stärkere Vergrößerungen waren nicht möglich, da sich die Abbildungsfehler, die in der Frontlinse (Objektiv) und im Okular entstanden, vervielfachten, so dass keine feineren Details zu erkennen waren.  Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723) verfolgte daher einen anderen Ansatz. Die Vergrößerung einer Linse ist umso stärker, je stärker sie gewölbt ist. Kleine, annähernd kugelförmige Linsen haben daher die stärkste Vergrößerung. Leeuwenhoek war brillant im exakten Schleifen kleinster Linsen, einer Technik, die zuvor nur unzureichend beherrscht worden war. Seine einfachen Mikroskope mit nur einer Linse waren zwar unhandlich zu benutzen, doch da er nur mit einer Linse mikroskopierte, entfiel die Multiplikation der Abbildungsfehler. Seine Mikroskope hatten eine bis zu 270-fache Vergrößerung. So entdeckte Leeuwenhoek die von ihm so genannten „Animalkulen“, einzellige Bakterien und Protozoen.  Im Jahre 1768 beschrieb der Michel Ferdinand d’Albert d’Ailly, Duc de Chaulnes (1714–1769) das erste eigens für Messzwecke konzipierte Messmikroskop.  Robert Brown benutzte noch 1830 ein einfaches Mikroskop und entdeckte damit den Zellkern und die Brownsche Molekularbewegung. Es dauerte 160 Jahre, bevor zusammengesetzte Mikroskope dieselbe Abbildungsqualität erzeugten wie Leeuwenhoeks einfaches Mikroskop.  Bis weit ins 19. Jahrhundert hinein wurden gute zusammengesetzte Mikroskope durch Ausprobieren und anhand von Erfahrungswerten hergestellt. Ernst Abbe erarbeitete um 1873 die zum Bau besserer Mikroskope erforderlichen, noch heute gültigen physikalischen Grundlagen. Als Folge gelang es zum ersten Mal, ein Objektiv herzustellen, dessen Auflösungsgrenze nicht mehr durch die Materialgüte, sondern durch die physikalischen Beugungsgesetze limitiert wurde. Diese physikalische Auflösungsgrenze wird als das Abbe-Limit bezeichnet. Produziert wurden die entsprechenden Mikroskope zusammen mit Carl Zeiss in dessen optischen Werkstätten. Dabei profitierten sie von den von Otto Schott entwickelten optischen Gläsern und dem von August Köhler entwickelten Beleuchtungsapparat zur Köhlerschen Beleuchtung.

Weblinks.

Zur Funktionsweise von Lichtmikroskopen:  Sammlungen historischer Lichtmikroskope:

Lichtmikroskope (von griechisch "μικρόν" ("micrón") = „klein“, und "σκοπεῖν" ("skopein") = „etwas ansehen“) sind Mikroskope, die stark vergrößerte Bilder von kleinen Strukturen oder Objekten mit Hilfe von Licht erzeugen. Die Vergrößerung erfolgt gemäß den Gesetzen der Optik unter Ausnutzung von Lichtbrechung an Glaslinsen.


Vorgeschichtliche Verbreitung.

Während der jungpaläolithischen Kultur des Gravettien wurden erste Kleinplastiken aus gebranntem Lösslehm hergestellt. Der Lösslehm wurde mit Knochenmehl gemagert und in einer Feuerstelle gebrannt. Das berühmteste Beispiel ist die circa 30.000 Jahre alte Venus von Dolní Věstonice, dazu kommen eine Reihe von Tierfiguren aus Dolní Věstonice, Pavlov und Krems-Wachtberg.  Die Entdeckung von Keramik als Töpferware aus Ton ist wahrscheinlich unabhängig voneinander in mehreren Regionen erfolgt.

Nordasien.

Die ältesten Tongefäße der Welt stammen aus dem östlichen Sibirien Amur-Gebiet und ist durch Beschleuniger-Daten der vegetabilen Magerung auf 15.000 BP datiert. Keramikgefäße sind auch aus der mesolithischen Jomon-Kultur Japans nachgewiesen und datieren um 13.000 v. Chr.  Die Kenntnis der Töpferei verbreitete sich durch Wildbeuter-Kulturen weiter nach Korea sowie in die Mandschurei, ohne dass dies mit einer neolithischen Wirtschaftsweise einherging. Auch in China ist sehr alte Keramik belegt. Funde aus einem Höhlengrab bei Xianrendong in der Provinz Jiangxi werden sogar auf ein Alter von bis zu 20.000 Jahren geschätzt. Keramik wird um 6000 v. Chr. auch am Südlichen Bug in der Ukraine nachgewiesen.

Afrika.

Im Sudan wurde Töpferware (Wavy line) von semisesshaften Jägern und Sammlern hergestellt und unabhängig von Asien erfunden. Erste Keramik aus dem 10. Jahrtausend v. Chr. wurde von Jäger- und Sammlergruppen im heutigen westafrikanischen Mali hergestellt (Fundplatz Ounjougou).  Im Nildelta trat Keramik erstmals im 9.–8. Jahrtausend v. Chr. auf.

Herstellung.

Frühe Töpferware wurde nach heutigem Wissen überall im „offenen Feldbrand“ hergestellt. Im 5. Jahrtausend sind in China erste Töpferöfen nachgewiesen, im Vorderen Orient im 4. Jahrtausend. In Mitteleuropa gibt es zeitgleiche Nachweise für Töpferöfen aus Triwalk, Mecklenburg-Vorpommern, aus der Trichterbecherkultur.  Ihre Verbreitung in den Kulturen der Jungsteinzeit verdanken Keramikgefäße den verbesserten Möglichkeiten zum Kochen und zur Vorratshaltung, die sich bei gleichzeitiger Sesshaftwerdung durchsetzt, da sie zuvor als zu schwerer und zerbrechlicher Transportbehälter zunächst ungeeignet war. Keramik spielt eine ganz wesentliche Rolle im Rahmen der Identifizierung und Datierung archäologischer Kulturen.

Begriff und Unterteilung.

Heute ist der Begriff Keramik breiter gefasst.  So kann der Begriff „Keramik“ einerseits einem Werkstoff zugeordnet werden, genauer gesagt, einer Stoffklasse, die gegenüber den Metallen oder den Kunststoffen oder anderen abgegrenzt werden kann, oder einer ganzen Technologie die sich im weitesten Sinne mit der Keramik befasst. Der Nomenklaturausschuss der Deutschen Keramischen Gesellschaft definiert „Keramik“ als einen „Zweig der chemischen Technologie oder Hüttenkunde, der sich mit der Herstellung keramischer Werkstoffe und Weiterverarbeitung bis zum keramischen Erzeugnis befaßt“. Keramische Werkstoffe wiederum werden definiert als „sind anorganisch, nichtmetallisch, in Wasser schwer löslich und zu wenigstens 30 % kristallin. In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung meist über 800 °C. Gelegentlich geschieht die Formgebung auch bei erhöhter Temperatur oder gar über den Schmelzfluß mit anschließender Kristallisation.“. Es existieren jedoch noch weitere Definitionen. So wird der Begriff im anglo-amerikanischen Sprachraum für alle festen Werkstoffe aus anorganischen Verbindungen mit nichtmetallischen Eigenschaften verwendet, was auch Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid oder Edelsteine wie Saphir mit einschließt.  Aus chemischer Sicht ist es bei diesen Definitionen nicht korrekt bei Keramik von „metallfreien“ oder „nichtmetallischen“ Restaurationen zu sprechen. Neben Sauerstoff und Silizium sind Metalle oft die Hauptbestandteile von Keramik. Sie liegen jedoch nicht in metallischer Form, sondern vorwiegend als Oxide vor. Werden diese (zum Beispiel bei Dentalkeramik) im Mund gelöst, entstehen Metallionen, die sich prinzipiell nicht von denen unterscheiden, die durch Korrosionvorgänge aus Metallen gebildet werden. Der Begriff „nicht-metallisch“ bezieht sich hier auf die Eigenschaften des Werkstoffes wie elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit oder Duktilität, wobei einige der heutigen Spezialkeramiken durchaus teilweise Eigenschaften von Metallen aufweisen können.  Keramiken sind also weitgehend aus anorganischen, feinkörnigen Rohstoffen unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformte und danach getrocknete Gegenstände (sogenannte Grünkörper), die in einem anschließenden Brennprozess oberhalb 700 °C zu härteren, dauerhafteren Gegenständen gebrannt werden. Einen härteren Scherben bekommt man durch höhere Brenntemperatur, wobei es ab etwa 1200 °C (je nach Tonmasse) zu einer Sinterung kommt, die die Porosität des Scherbens aufhebt. Man erhält also dauerhaft flüssigkeitsdichte Gefäße. Keramik wird heute im zunehmenden Maße für technische Einsatzzwecke genutzt (technische Keramik) und in ähnlichen Prozessen, allerdings meist wesentlich höheren Sintertemperaturen, hergestellt. Im Bereich der faserverstärkten Keramik sind auch siliciumhaltige organische Polymere (Polycarbosilane) als Ausgangsstoffe zur Herstellung von amorpher Siliciumcarbid-Keramik in Verwendung. Sie wandeln sich in einem Pyrolyseprozess vom Polymer zur amorphen Keramik um. Eine klare Systematik der keramischen Werkstoffe – wie beispielsweise bei Metall-Legierungen – ist schwierig, weil es hinsichtlich der Rohstoff-Zusammensetzung, des Brennvorgangs und des Gestaltungsprozesses fließende Übergänge gibt. Keramische Produkte werden deshalb häufig nach den jeweils im Vordergrund der Betrachtung stehenden Aspekten unterschieden, zum Beispiel nach regionalen Keramiktypen wie Westerwälder Steinzeug, Bunzlauer Keramik oder auch Majolika und Fayence, bei technischer Keramik nach der chemischen Zusammensetzung in Silikatkeramik, Oxidkeramik und Nicht-Oxid-Keramik oder auch nach dem Verwendungszweck (Funktionskeramik, Gebrauchskeramik, Baukeramik, Sanitärkeramik und Strukturkeramik). Gebräuchlich ist auch die Unterteilung in "Grob-" und "Feinkeramik". Zur erstgenannten gehört die große Gruppe der Baukeramik (zum Beispiel Bau- und Dachziegel, Kanalisationsrohre); diese Produkte sind dickwandig, häufig inhomogen, von oft zufälliger Färbung. Feinkeramik ist dagegen feinkörnig (Korngröße unter 0,05 mm), von definierter Färbung (zum Beispiel weiß für Haushaltskeramik, Tischgeschirr und Sanitärkeramik); hierher gehören auch die künstlerischen Erzeugnisse. Feinkeramik erfordert bezüglich der Aufbereitung der Rohmasse, der Formgebung und des Trocknens sowie Brennens eine erheblich größere Sorgfalt, als sie bei der Herstellung von Grobkeramik nötig ist. Die Eigenschaften keramischer Produkte werden bestimmt durch Art und Menge der in ihnen enthaltenen Kristalle und die als Bindung funktionierenden Verglasungen (sogenannte Glasphasen). Keramiken sind formbeständig, im Allgemeinen hart (es gibt Ausnahmen:beispielsweise pyrolytisches Bornitrid (hexagonal) ist flexibel durch seine Schichtstruktur) und hitzebeständig.  "Zur Klassifikation keramischer Massen:" Die Einteilung keramischer Massen kann in drei Klassen, verschiedenen Unterklassen, Gruppen, Untergruppen, weiterführende Aufteilungen, beispielsweise in "Grobkeramik" und "Feinkeramik" sowie durch weitere Spezifikationen erfolgen.  Grobkeramik (engl. coarse ware) ist die beschreibende Bezeichnung für vorzeitliche alltägliche keramische Gebrauchsware der unterschiedlichsten Kulturen, die mehr als zwei Drittel aller Funde ausmacht. Die Gefäße waren für den Transport und die Lagerung von Gütern, die Zubereitung von Speisen und als Kochgefäße in Gebrauch. Grobkeramik steht sowohl in der Art der Herstellung, als auch im allgemein unverzierten Aussehen, qualitativ im Kontrast zur speziellen Ausführung von zeremoniellen Gefäßen.

Keramische Rohstoffe.

Silikat-Rohstoffe.

Dieser Bereich umfasst generell alle Rohstoffe, die [SiO]-Tetraeder in der Kristallstruktur eingebaut haben.

Tonminerale und deren Gemische.

Tone sind wasserhaltige Alumosilicate. Siehe auch Tonmineral. Man unterscheidet zwischen Primärton und Sekundärton. Tone und Lehme entstehen durch die Verwitterung von Feldspäten und verwandten Mineralien. Die Hauptbestandteile sind Illit, Montmorillonit und Kaolinit. Die Korngrößen liegen hierbei im μm-Bereich. Je nach Verwendungszweck unterteilt man diese Rohstoffe in Steinzeugtone, Steinguttone, Irdenwaretone und -lehme. Mergeltone haben einen hohen Gehalt an Kalk, der stark verflüssigend wirkt. Da an solchen Scherben die früher viel verwendeten Blei- und Zinnglasuren sehr gut haften, werden sie häufig für Ofenkacheln und Fliesen eingesetzt. Bentonite sind ein Verwitterungsprodukt vulkanischen Ursprungs, sie wirken bereits bei geringen Zugaben sehr stark plastifizierend, verbessern die Formbarkeit und die Standfestigkeit während des Trocknungsprozesses. Aus der hohen Wasseraufnahme der Bentonite im Formgebungsprozess resultiert eine enorme Schwindung schon während des Trocknens. Durch die Trockenschwindung kann es zu Rissen und Verformungen in der Grünware kommen.  Die Auswahl und Mischung der Rohstoffe muss folgenden Forderungen genügen: Gute Formbarkeit der Masse, geringe Schwindung beim Trocknen und Brennen, hohe Standfestigkeit beim Brennen, geringe oder keine Verfärbung des Endprodukts.

Kaoline.

Kaolin, auch Porzellanerde genannt, ist ein Verwitterungsprodukt von Feldspat. Es besteht weitgehend aus Kaolinit, einem hydratisierten Alumosilikat, begleitet von Quarzsand, Feldspat und Glimmer. Die letztgenannten Bestandteile werden durch Schlämmen und Sieben entfernt, das Endprodukt muss möglichst plastisch, beim Trocknen formstabil und nach dem Brennen weiß sein. Zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften werden Kaoline unterschiedlicher Herkunft gemischt (Mineral Dressing); um ein gutes Gießverhalten zu erreichen, gibt man noch Plastifizierungsmittel wie Wasserglas und/oder Soda zu.  Kaolin ist zur Porzellanherstellung zwingend. Ist kein Kaolin in der Tonerde enthalten, entsteht automatisch immer nur Keramik. Manche Länder konnten in der Vergangenheit kein Porzellan herstellen, weil es dort kein Kaolin gab. Belgien und die Niederlande gehören dazu.

Nichtplastische Rohstoffe.

Feldspäte sind im Vergleich zum Kalk ebenfalls gute Flussmittel, die aber mit steigender Brenntemperatur eine stärkere Verglasung und damit Verdichtung der Erzeugnisse bewirken. Der Trocknungsschwund wird zwar reduziert, der Schwund beim Brennen steigt jedoch. Quarz senkt als Magerungsmittel den Trocknungs- und Brennschwund, verschlechtert jedoch die Plastizität. Quarz wird als feinstkörniger Sand oder als gemahlenes Ganggestein eingesetzt, er muss möglichst rein sein, um unerwünschte Verfärbungen zu vermeiden. Kalk wird als geschlämmte Kreide oder als gemahlener Kalkstein eingesetzt. Als Magerungsmittel unterstützt er die Formstabilität beim Trocknen, beim Brennen wirkt er als Flussmittel. Allerdings liegen sein Sinter- und sein Schmelzpunkt nahe beieinander, bei zu hohen Brenntemperaturen besteht mithin die Gefahr von Deformationen durch Ausgasen. Schamotte, als gemahlener gebrannter Ton oder Tonschiefer, ist ein Magerungsmittel, das die Porosität bei niedrigen Brenntemperaturen erhöht und die Trocknungs- und Brennschwindung reduziert. Magnesiummineralien (Talkum, Magnesit) verleihen den Erzeugnissen eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit; sie werden bevorzugt für elektrotechnische Produkte eingesetzt.

Oxidische Rohstoffe.

Mit den im Folgenden aufgeführten oxidischen Rohstoffen werden Oxidkeramiken hergestellt, die sich in vielen Anwendungen der technischen Keramik finden. Bei einem Teil davon handelt es sich um synthetische Rohstoffe.

Aluminiumoxid.

Aluminiumoxidkeramiken basieren auf α-AlO, dem Korund. Sie dienen zum Beispiel als Schleif- und Poliermittel und werden auch als Trägermaterial für integrierte Schaltkreise eingesetzt. Aus gesintertem Korund oder Schmelzkorund lassen sich feuerfeste Erzeugnisse herstellen. Aluminiumoxiderzeugnisse können Glasphase enthalten, ein hoher Glasphaseanteil setzt die Sintertemperatur herab, jedoch auch die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit.  Um die Festigkeit weiter zu erhöhen, kann Zirkoniumoxid zugesetzt werden. Diese besonders zähe Keramik wird als ZTA (Zirconia toughened alumina) bezeichnet.

Berylliumoxid.

Aus gesintertem Berylliumoxid (BeO) werden Tiegel für chemische Reaktionen bei sehr hohen Temperaturen hergestellt. Des Weiteren wurden aus BeO elektrisch isolierende, aber hoch wärmeleitfähige Chip-Träger produziert, um die entstehende Wärmeenergie an einen Kühlkörper abzuleiten. Wegen des hohen Preises und der Giftigkeit ist BeO zunehmend durch andere Materialien ersetzt worden, z. B. Aluminiumoxid oder das teurere Aluminiumnitrid zur Wärmeableitung und Graphit für Hochtemperatur-Laborgefäße.

Weitere oxidische Rohstoffe.

Weitere oxidische Rohstoffe, die bei der Keramikherstellung verwendet werden, sind z. B. Zirconium(IV)-oxid, Titan(IV)-oxid.

Nichtoxidische Rohstoffe.

Die im Folgenden aufgeführten nichtoxidischen Rohstoffe werden zur Herstellung von Nicht-Oxid-Keramiken verwendet, die sich in vielen technischen Anwendungen (siehe technische Keramik) durchgesetzt haben. In der Praxis werden alle diese Rohstoffe künstlich erzeugt.

Siliciumcarbid.

Siliciumcarbid (SiC) gehört aufgrund seiner besonderen Fähigkeiten aktuell zu den wichtigsten Industriekeramiken für Hochleistungsanwendungen. Es wird als Schleifmittel, in Gleitlagern von Chemiepumpen, als Dieselrußpartikelfilter und für Hochtemperaturanwendungen als temperaturstabiles Formbauteil (z. B. Receiver bei Solarturm-Kraftwerken) verwendet, da es sehr hart sowie thermisch und chemisch resistent ist. Eine weitere Verwendung sind Ringe in Gleitringdichtungen. Die Kupplungsscheibe und die Bremsscheiben des Porsche Carrera GT bestehen aus kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid (C/SiC).  Die wichtigste Herstellung (Acheson-Verfahren) erfolgt aus Quarzsand und Koks bei 2200 °C nach:  Sie ist vergleichbar der Reduktion von Quarz zu Rohsilicium; es wird allerdings ein Überschuss von Kohlenstoff verwendet. Für bessere Formgebung ist die Herstellung aus geschmolzenem Silicium und Kohlenstoff geeignet. Hier hat sich Holzkohle bewährt, die vorher auf die richtige Form gebracht wurde. Durch die Poren kann Silicium aufgenommen werden und dann zu SiC reagieren. Dabei entsteht eine Sonderform des Siliciumcarbid, das sogenannte SiSiC (siliciuminfiltriertes SiC), in dem sich immer noch einige Prozent nicht-reagiertes Silicium befinden, das die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinflusst.  In der Natur wird SiC nur selten gefunden. Es wird dann als Moissanit bezeichnet.

Bornitrid.

Da Bornitrid (BN) bei Normalbedingungen analog zu Graphit aufgebaut ist und darüber hinaus sehr temperaturbeständig ist (es reagiert erst bei 750 °C mit Luft), ist es als Hochtemperatur-Schmiermittel geeignet. Die diamantähnliche Modifikation Borazon ist nach Diamant das härteste Material.  Die hexagonale Kristallstruktur kann man ableiten, wenn man bei Graphit abwechselnd die Kohlenstoffe durch Bor und Stickstoff ersetzt. Anders ausgedrückt, besteht sie aus Ebenen von an allen Seiten kondensierten Borazin-Ringen. Bornitrid ist nicht elektrisch leitfähig wie Graphit, da die Elektronen stärker an den Stickstoffatomen lokalisiert sind.  Bei 60–90 kbar und 1500–2200 °C wandelt sich BN in kubisches Borazon um, das in der zu Diamant analogen Zinkblendestruktur kristallisiert. Borazon ist ähnlich hart wie Diamant, aber oxidationsbeständiger und wird daher als Schleifmittel eingesetzt.

Borcarbid.

Borcarbid (BC) ist ein weiterer sehr harter Werkstoff (an dritter Stelle nach Diamant und Bornitrid). Es wird als Schleifmittel und für Panzerplatten und Sandstrahldüsen verwendet. Die Herstellung erfolgt bei 2400 °C aus BO und Kohlenstoff.

Weitere nichtoxidische Rohstoffe.

Weitere nichtoxidische Rohstoffe, die bei der Keramikherstellung verwendet werden, sind Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Molybdändisilicid und Wolframcarbid.

Manipulierte keramische Rohstoffe.

Ursprünglich hier „metallisch-keramische Rohstoffe“ genannt. Die Keramik hat in der Regel nichts mit metallischen Werkstoffen zu tun. Da man Metalle ähnlichen Formgebungsprozessen zuführen kann wie keramische Rohstoffe, wurde diese Rubrik wohl irreführend so genannt. Es handelt sich um Trockenpressen, Schlickergießen oder plastische Formgebung mittels Bindemitteln. Man bezeichnet diesen Teil der Herstellung metallischer Werkstoffe als Pulvermetallurgie. Dabei wird mit feinsten Körnungen gearbeitet.

Andere Zusatzstoffe.

Weitere Zusatzstoffe sind Flussmittel in der Glasindustrie. Plastifizierer oder Flockungsmittel verbessern die Formbarkeit und verbrennen beim Brennprozess. Organische Plastifikatoren sind zum Beispiel Leim, Wachse, Gelatine, Dextrin, Gummiarabikum, Paraffinöl. Weiterhin verwendet werden Verflüssiger oder Peptisatoren, die zur Verhinderung von Flockung des Rohmaterials eingesetzt werden.  Sonstige Hilfsmittel sind fein gemahlene Ausbrennmittel wie Säge- und Korkmehl, Stärke, Kohlestaub und Styroporkugeln. Sie machen den Scherben porös und leicht und können interessante Oberflächeneffekte erzeugen; sie verbrennen ebenfalls beim Brand. Sogenannte Porosierungsmittel haben den Haupteinsatzzweck in der Ziegelindustrie, wobei sie die Dichte und die Wärmeleitfähigkeit der Ziegel reduzieren.

Herstellungsschritte.

Aufbereitung der Rohstoffe.

In der industriellen Keramikproduktion werden die Komponenten, nachdem sie teilweise vorgebrannt wurden, entsprechend der Rezeptur gemeinsam in Trommelmühlen fein gemahlen. Nach dem Schlämmen unter Zugabe von Wasser wird dieses in Filterpressen wieder weitgehend entfernt. Der zurückbleibende Filterkuchen wird getrocknet und nochmals gemahlen. In dieser Form wird die Rohmasse entweder gelagert oder sofort unter Zugabe von Wasser und verflüssigenden Hilfsstoffen in Maschinen geknetet und ggf. entlüftet. Daneben hat in jüngerer Zeit die halbnasse und die trockene Aufbereitung bei der industriellen Herstellung Bedeutung gewonnen. In der Töpferwerkstatt wird zum Teil noch heute dieser Prozess in aufwändiger Handarbeit durchgeführt. Da Mahlwerke oft nicht zur Verfügung stehen, kommt dem Schlämmen große Bedeutung zu. Die Homogenisierung der Masse wurde in mühsamer Knetarbeit erreicht. Heute stehen dafür meist Maschinen zur Verfügung. Ziel ist es, eine möglichst homogene, geschmeidige und blasenfreie Arbeitsmasse zu erzeugen.

Formgebung.

Die Formgebung der Grünkörper oder Rohlinge zur Herstellung feinkeramischer Erzeugnisse kann nach historisch-traditionellen Verfahren oder modernen Methoden erfolgen. Zu diesen Verfahren gehören unter anderem:  In der Formgebung zur Herstellung grobkeramischer Erzeugnisse können zudem das Strangpresseverfahren und das Formpressverfahren, vor allem zur Fertigung von Rohren und Stangen, Anwendung finden. In der industriellen Großserienfertigung haben die halbtrockene und die trockene Formgebung Bedeutung erlangt, da hierbei wesentlich geringere Trocknungszeit der Grünkörper bei gleichzeitig besserer Maßhaltigkeit erreichbar sind. Da jedoch Verunreinigungen, beispielsweise lösliche Salze nicht abgetrennt werden können, sind diese Verfahren für die Herstellung von Porzellan und anderen feinkeramischen Erzeugnissen vorerst ungeeignet.  Neben der Herstellung von Keramikteilen durch additive Fertigungsverfahren, ist zukünftig auch eine finalisierende Formgebung durch hermetisch-stoffschlüssiges Fügen mittels Keramiklaserschweißen mit Ultrakurzpulslasern denkbar geworden.

Beschichtungen und Infiltration.

In der technischen Keramik werden auch folgende Sonderverfahren angewandt:

Das Trocknen.

Nach der Formgebung ist der Rohling feucht durch  Die Trocknungsgeschwindigkeit hängt außer von dem umgebenden „Klima“ stark von der Rezeptur der Rohmasse ab. Um die Trocknungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Rissen niedrig zu halten, können die Rohlinge abgedeckt werden. Industriell erfolgt das Trocknen in klimatisierten Räumen. Das physikochemisch gebundene und insbesondere das chemisch gebundene Wasser werden allerdings erst durch den Brand vertrieben.  Unterschieden werden drei Stadien des Trocknens:

Der Brennprozess.

Der Brennprozess (Roh- oder Schrühbrand) überführt den getrockneten Formkörper in ein hartes, wasserbeständiges Produkt. In der technischen Keramik wird dieser Prozess auch als Sintern bezeichnet. Bei niedrigen Temperaturen (< 1000 °C) werden flüchtige Bestandteile ausgetrieben (Wasser, Kohlendioxid, organische Hilfsstoffe). Dabei zersetzen sich die tonigen Bestandteile und bilden neue Minerale. In dem entstehenden „Scherben“ schließen sich Kristalle an den Korngrenzen zusammen (Kristallwachstum) und werden (falls enthalten) durch glasige Anteile verkittet. Anteil und Art (Korngrößenverteilung, Texturen etc.) der Kristall- und Glasphase sowie der Poren bestimmen die Eigenschaften des gebrannten Guts.  Die angewandten Temperaturen reichen bis etwa 1400 °C; bei Sonderkeramiken liegen sie auch erheblich höher. In Abhängigkeit von den Rohstoffen und dem gewünschten Produkt wird die Brenntemperatur häufig während des Brennprozesses variiert (Temperaturprofil). Überdies muss der Prozess in vielen Fällen zeitweilig unter reduzierender Atmosphäre verlaufen, um etwa bei weißem Geschirr oder bei Sanitärkeramik eine Gelbfärbung durch Eisenverunreinigungen zu vermeiden. Bei Brenntemperaturen von 1400 °C und mehr werden Tragegestelle aus besonders hitzebeständigen Materialien wie Siliciumcarbid verwendet.  Bei der Massenproduktion wird zwischen periodischen und kontinuierlichen Öfen unterschieden. Eingesetzt werden Kammer- und Ringöfen sowie Tunnelöfen (Herstellung von Ziegeln, Produkten aus feuerfesten Werkstoffen und Porzellan) und Rollenöfen (für flache Erzeugnisse wie Fliesen). Überwiegend kommen Öfen mit fossilen Brennstoffen zum Einsatz. In Handwerksbetrieben werden oft elektrische Öfen verwendet. Bei Brennöfen für kleine Stückzahlen ist zu unterscheiden zwischen offenen Systemen, bei denen die Brenngase (mit unterschiedlicher Flammführung) in unmittelbaren Kontakt mit der Ware treten, und Muffelöfen, bei denen die Brenngase das Brenngut indirekt erhitzen.  Für die nachträgliche Ermittlung von Brenntemperaturen, wie es bei antiken Keramiken üblich ist, gibt es zwei methodische Ansätze. Entweder wird das angenommene Ausgangsmaterial experimentell solange kontinuierlich erhitzt, bis annähernd die gleichen Eigenschaften erzielt sind, oder es werden temperatur-indizierende Minerale (etwa Gehlenit), die ein begrenztes Temperatur-Stabilitätsfeld haben, genau untersucht und auf diese Weise die Brenntemperatur abgeschätzt.  Die für das Brennen von Massenprodukten der Keramik verwendeten Durchlauföfen sind sehr energieintensiv. Es ist eine verfahrenstechnische Herausforderung, die Qualität und Menge der gebrannten Produkte mit möglichst geringem Energieverbrauch herzustellen.

Glasuren.

Glasuren sind dünne Glasüberzüge. Zum einen machen sie den porösen Keramikkörper nahezu wasserdicht und geben ihm eine leicht zu reinigende Oberfläche. Zum anderen ermöglichen sie eine abwechslungsreiche, dekorative Gestaltung der Keramiken. Glasuren können farbig, transparent oder deckend (opak), glänzend, halbmatt oder matt sein. Sie können weich und niedrig schmelzend (ab etwa 800 °C bei Raku-Keramik bis etwa 1000 °C) oder hart und hoch schmelzend (ab 1000 °C bis etwa 1400 °C bei Porzellan) sein. Nach ihrer chemischen Zusammensetzung kann man z. B. zwischen Borosilikat-, Feldspat-, Salz-, Gold- und bleihaltigen Glasuren unterscheiden. In jedem Fall ist aber der glasbildende Hauptbestandteil SiO wie beim Flaschen- oder Fensterglas. Die Glasuren werden häufig in der Keramikherstellung erst nach dem Schrühbrand der Ware aufgebracht (Tauchen, Spritzen, Pinseln, Stempeln) und in einem erneuten Brennprozess (Glattbrand) verglast. Dieser Brand wird auch Glasurbrand genannt und benötigt höhere Temperaturen als der Schrühbrand. Hierbei sintert der Scherben und wird dicht.  Bei Aufglasurmalerei benötigt man in der Regel für jede Farbe einen weiteren Brand. Dieser liegt unterhalb der Sintertemperatur. Auch beim Einsatz von Siebdrucktechnik lässt sich ein weiterer Brand nicht vermeiden: Hier müssen die Temperaturen sogar unterhalb der Schrüh-Temperatur liegen.  Bei der traditionellen Salzglasur wird beim Brand Steinsalz in das Feuer gegeben, dessen Gase das Brenngut überstreichen. Dabei senkt das sich niederschlagende Natriumoxid oberflächlich die Schmelztemperatur und erzeugt auf dem Scherben eine Glasur.

Institutionen.

Wissenschaft.

Die Deutsche Keramische Gesellschaft e. V. (DKG) versteht sich als technisch-wissenschaftlicher Verein für die gesamte Keramik. Sie ist die Diskussionsplattform dieses Industriebereichs zu allen technisch-wissenschaftlichen Fragestellungen (Ausbildung, Fortbildung, Forschung, Lehre und Umweltschutz) sowie zentrale Kontaktstelle zwischen Wissenschaft und keramischer Industrie.

Keramikkunst.

Die künstlerische Seite einer Modernen Keramik als Teil der Modernen Kunst wird nicht durch eine einzige Institution vertreten, sondern in einer Vielzahl von Einrichtungen der Keramikkunst, wie Museen, Symposien, Galerien etc. vermittelt.

Museen.

Weitere Museen: siehe Weblinks

Weblinks.

Weitere Museen:  Bildungsorganisationen:  Berufsverband und technisch-wissenschaftlicher Verband:  Wirtschaftsverbände:

Der Begriff Keramik, auch keramische Massen, bezeichnet in der Fachsprache eine Vielzahl anorganischer nichtmetallischer Werkstoffe, die grob in die Typen Irdengut, Steingut, Steinzeug, Porzellan und Sondermassen unterteilt werden können (siehe auch Klassifikation keramischer Massen). Allgemeinsprachlich dient "Keramik" auch als Oberbegriff für die geformten und gebrannten Produkte, die als Gebrauchs- und Ziergegenstände, Bauteile oder Werkzeuge verwendet werden. Außerdem können die Herstellungstechnik, das Handwerk (bzw. Kunsthandwerk) und die keramische Produktion damit gemeint sein. Das Wort "Keramik" stammt aus dem Altgriechischen: "" (κέραμος) und war die Bezeichnung für Tonminerale und die aus ihm durch Brennen hergestellten formbeständigen Erzeugnisse, wie sie etwa im antiken Athener Bezirk Kerameikos produziert wurden. Man unterscheidet unter anderem Tonkeramik und Glaskeramik. In der Gegenwart spielt die technische Keramik eine bedeutende Rolle, zu der auch die Verbundkeramik zählt. In kulturhistorischen und archäologischen Studien wird vor allem nach der Verwendung im Alltag unterschieden: Gefäßkeramik (Tischgeschirr, Trinkgeschirr, Kochgeschirr, Sonderformen), Baukeramik (Dachziegel, Backsteine, Bodenfliesen und Wandfliesen), Ofenkeramik (Ofenkacheln, Kachelofenfüße, Abdeckplatten) und Sanitärkeramik (Waschbecken, WC-Schüsseln, Badewannen).

陶瓷器,也作陶磁器,一般称为陶瓷,是用泥(陶泥或瓷泥)勾水成泥浆,制成器皿的形状,待干燥后再放入炉烧成一件件器皿的工艺。制成品会叫做陶器或瓷器。陶器一般用黏土或陶土经捏制成形后烧制而成;瓷器则由瓷石、高岭土等组成,外表施有釉或彩绘的物器,需经过高温(约1200°C–1400°C)的窑内烧制。


Mechanik.

Jeder Freiheitsgrad eines physikalischen Systems entspricht einer unabhängigen verallgemeinerten Koordinate, mit der das System beschrieben werden kann.  Was mit dem Wort „unabhängig“ gemeint ist, sieht man an einem Beispiel: Angenommen, ein Teilchen befindet sich in einer Ebene (z. B. auf einem Tisch) mit einem Koordinatensystem und kann sich in dieser Ebene nur entlang einer „schrägen“ Geraden bewegen. Die Position des Teilchens kann dann durch eine einzige Zahl beschrieben werden. Es gibt dafür zwar verschiedene Möglichkeiten, z. B. In jedem dieser Fälle reicht jedoch stets die Angabe eines einzelnen Werts zur Festlegung der Position. Das Teilchen besitzt daher also nur einen Freiheitsgrad.  Die Zahl der verallgemeinerten Koordinaten ist eine Systemeigenschaft. Beispielsweise hat ein freier Massenpunkt im Raum drei Translationsfreiheitsgrade, die seine Position festlegen. Da ein "Punkt" keine Ausdehnung hat, hat er jedoch keine Orientierung. Ein starrer Körper besitzt demgegenüber zusätzlich noch drei Rotationsfreiheitsgrade, jeweils beschreibbar durch Drehwinkel.  Gemäß der Grüblerschen Gleichung ist die Zahl der Freiheiten eines Systems, das aus vielen Teilsystemen gebildet wird, gleich der Summe der Freiheiten der Teilsysteme, sofern diese nicht durch Zwangsbedingungen eingeschränkt wird. Beispielsweise hat ein Auto in der Ebene drei Freiheitsgrade (Positionswechsel entlang von x- und y-Koordinate sowie Fahrtrichtung). Ein einachsiger Anhänger hat vier Freiheitsgrade, da er zusätzlich noch nach vorn und hinten kippen kann. Wird der Anhänger an das Auto angehängt, hat das Gesamtsystem dennoch nur insgesamt vier Freiheitsgrade (Positionswechsel entlang von x- und y-Koordinate, Drehung des Zugfahrzeugs sowie Änderung des Winkels, in dem der Anhänger zum Zugfahrzeug steht), da das Kippen sowie die unabhängige Bewegung des Anhängers durch die Anhängerkupplung unterbunden wird. Siehe auch Laufgrad.  Grundsätzlich lassen sich folgende Fälle unterscheiden:

Beispiel: Doppelpendel.

Zwei freie Punktmassen formula_10 und formula_11 haben im dreidimensionalen Raum jeweils drei Translationsfreiheitsgrade, insgesamt also sechs. Ein Doppelpendel, das über Drehgelenke (im Gegensatz zu Kugelgelenken) verbunden ist, kann jedoch nur in einer Ebene schwingen, so dass seine Beweglichkeit durch folgende Zwangsbedingungen eingeschränkt ist (s. Abb.): Diese vier Zwangsbedingungen reduzieren die Zahl der Freiheitsgrade auf formula_19. Für die Beschreibung des Systems genügen daher die beiden Winkel formula_20 und formula_21 als unabhängige verallgemeinerte Koordinaten.

Beispiel: Gelenke.

Im Gelenk eines Mechanismus sind zwei Teile miteinander beweglich verbunden. Der Freiheitsgrad formula_1 ist die Anzahl der möglichen Bewegungen, die das Gelenk ausführen kann. Dafür stehen prinzipiell die sechs Freiheiten des starren Körpers zur Verfügung. Mindestens eine davon wird im Gelenk unterbunden, daher stehen maximal fünf für eine technische Anwendung zur Verfügung. Mehr als drei Freiheiten werden mit Mehrfachgelenken erreicht. Mehrfachgelenke können als Kombination mehrerer einfacher Gelenke angesehen werden.  Gelenke haben immer einen Freiheitsgrad größer Null. Andernfalls handelt es sich nicht um ein Gelenk, sondern um eine Einspannung.

Thermodynamik und statistische Mechanik.

Freiheitsgrade der Moleküle.

Jedes Molekül mit formula_23 Atomen hat allgemein Freiheitsgrade, weil man für jedes Atom drei Koordinaten braucht, um seine Position zu definieren. Diese kann man formal in Translations-, Rotations- und innere Schwingungsfreiheitsgrade einteilen:  Für formula_23-atomige Moleküle gilt:  Komplexe Moleküle mit vielen Atomen haben daher viele Schwingungsfreiheitsgrade (siehe Molekülschwingung) und liefern somit einen hohen Beitrag zur Entropie.  Bei Molekülen, die auf Festkörperoberflächen adsorbiert sind, kann die Anzahl an Freiheitsgrade reduziert sein. Beispielsweise kann statt drei Rotationsfreiheitsgraden eines Moleküls in der Gasphase für das adsorbierte Molekül nur einer möglich sein. Gleiches gilt für Translationsfreiheitsgrade, die z. B. von drei (Gasphase) zu nur zwei im Fall der Adsorption werden können. Aufgrund der diskreten Energieniveaus der Quantenmechanik können "bei niedrigen Energien" meist "nicht alle" formula_1 Freiheitsgrade angeregt werden, da der erste angeregte Zustand bereits eine zu hohe Energie besitzt. Dadurch kann ein System bei einer gegebenen Temperatur effektiv weniger Freiheitsgrade haben:  Zum Beispiel hat ein Atom bei Raumtemperatur effektiv nur die drei Translationsfreiheitsgrade, da die mittlere Energie so niedrig ist, dass atomare Anregungen praktisch nicht vorkommen.  Das Konzept der Freiheitsgrade aus der Mechanik taucht auch in der statistischen Mechanik und Thermodynamik auf: die Energie eines thermodynamischen Systems verteilt sich gemäß dem Äquipartitionstheorem gleichmäßig auf die einzelnen Freiheitsgrade. Die Zahl der Freiheitsgrade geht in die Entropie ein, die ein Maß für die Zahl der erreichbaren Zustände ist. Thermodynamische Systeme haben generell sehr viele Freiheitsgrade, etwa in der Größenordnung von 10, der Größenordnung der Avogadro-Konstanten, da sie üblicherweise Stoffmengen in der Größenordnung eines Mols enthalten. Es können allerdings viele gleichartige Systeme mit jeweils nur wenigen Freiheitsgraden zustande kommen, z. B. 10 Atome mit effektiv (s. u.) je drei Freiheitsgraden.  Man kann die innere Energie formula_29 eines idealen Gases mit formula_30 Teilchen in Abhängigkeit von der Temperatur formula_31 und der Anzahl formula_32 der Freiheitsgrade eines Gasteilchens angeben:  mit der Boltzmann-Konstante formula_34.  Hierbei ist wichtig, dass Schwingungen bei der Bestimmung von formula_32 doppelt gezählt werden, da sie sowohl kinetische als auch potentielle Energie besitzen (s. u.):  Ein zweiatomiges Molekül wie molekularer Wasserstoff hat – neben den elektronischen Anregungen – sechs Freiheitsgrade: drei der Translation, zwei der Rotation, und einen Schwingungsfreiheitsgrad. Rotation und Schwingung sind quantisiert und bei geringer Gesamtenergie eines Moleküls können energetisch höher liegende Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade nicht angeregt werden; man sagt, sie seien „eingefroren“. Rotation wird bereits ab mittleren, Schwingung erst bei höheren Temperaturen angeregt. So verhalten sich die meisten zweiatomigen Gase wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff unter Normalbedingungen effektiv so, als hätten die Einzelmoleküle nur fünf Freiheitsgrade, was sich am Adiabatenexponenten ablesen lässt. Bei hohen Temperaturen sind dem System alle Freiheitsgrade zugänglich.

Freiheitsgrade der Zustandsgrößen.

Die thermodynamischen Freiheitsgrade der Zustandsgrößen auf makroskopischer Ebene ergeben sich für beliebige Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht über die Gibbssche Phasenregel.

Der Freiheitsgrad formula_1 bezeichnet im engen, mechanischen Sinn die Zahl der voneinander unabhängigen (und in diesem Sinne „"frei" wählbaren“) Bewegungsmöglichkeiten, im weiteren Sinne jeden unabhängigen veränderlichen inneren oder äußeren Parameter eines Systems. Das System muss dabei folgende Eigenschaften haben:

在力学里,自由度指的是力学系统的独立坐标的个数。力学系统由一组坐标来描述。比如一个质点的三维空间中的运动,在笛卡尔坐标系中,由 formula_1 三个坐标来描述;或者在球坐标系中,由 formula_2 三个坐标描述。描述系统的坐标可以自由的选取,但独立坐标的个数总是一定的,即系统的自由度。一般而言,formula_3 个质点组成的力学系统由 formula_4 个坐标来描述。但力学系统中常常存在着各种约束,使得这 formula_4 个坐标并不都是独立的。对于 formula_3 个质点组成的力学系统,若存在 formula_7 个完整约束,则系统的自由度减为 比如,运动于平面的一个质点,其自由度为 2。又或是,在空间中的两个质点,中间以线连接。所以其自由度 其中的3表示2个质点的质心有3个位移方向,但由于有一条线约束,两个质点绕质心的转动自由度由3减为2,即不可做以线为轴的转动,而又由于线是刚性不可伸缩的,故两质点不可在线的方向上振动,即振动自由度为0。如果线是弹性的,则这个模型类似于两原子构成的气体分子模型,除了有3个位移自由度、2个转动自由度外,还有1个振动自由度。


Mythologie als Wissenschaft.

Neben einem Verständnis als Sammlung von Geschichten mythischen Charakters wurde der Ausdruck "Mythologie" – vor allem in moderner Zeit – auch parallel zu ähnlichen Begriffsbildungen (etwa "Theologie, Biologie") als „Wissenschaft von den Mythen“ gedeutet (Mythenforschung). Die in diesem Sinn verstandene wissenschaftliche Mythologie beschäftigt sich mit der Frage nach der Herkunft der Mythen und ihrem Verhältnis zu anderen Erzählformen wie Legende, Sage oder Epos. Moderne Märchen enthalten oft Elemente, die sie mit Mythen vergleichbar machen. Die Entwicklung der Mythen als erzählerischer Gattung und ihre Transformation zu Märchen bildet einen Gegenstand der Erzählforschung. Die Entstehung von Mythen ist daneben auch Gegenstand der Psychologie, besonders der im Laufe des 19. Jahrhunderts aufkommenden Völkerpsychologie, die in Carl Gustav Jungs Theorien des kollektiven Unbewussten und der Archetypen einen Nachfolger fand.  Soweit der Gegenstand der Mythen religiös gesehen wird, ist ihre Erforschung eng mit der Geschichte der Religion verbunden. Informationen aus Mythen sind wichtig zur Rekonstruktion religiöser Vorstellungen, die manchmal Inhalte unterschiedlicher mythologischer Ursprünge zu einem System verbinden. Der britische Schriftsteller Robert Graves definierte Mythologie als „Erforschung jener religiösen oder heldenhaften Legenden, die in der Erfahrung des Studierenden so fremdartig sind, dass er sie nicht für wahr halten kann.“ Joseph Campbell wies darauf hin, dass aus religiöser Sicht "Mythos" als „die Religion anderer Leute“ definiert werden kann. Insofern sei Religion „missverstandene Mythologie“. Das Missverständnis bestehe darin, dass „mythische Metaphern als Hinweise auf unumstößliche Tatsachen interpretiert werden“.

Themen.

Zentrale Themen von kosmogonischen Mythen sind die Erschaffung der Welt aus dem Urmeer, die Ordnung der Welt um einen Weltenberg sowie Prozesse der Zerstörung und anschließender Erneuerung dieser Ordnung (vergleiche Schöpfungsgeschichten), häufig in Verbindung mit dem Kampf unterschiedlicher Mächte (sowohl konkreter Göttergestalten, Himmel und Erde, als auch abstrakter Eigenschaften wie "gut" und "böse", "hell" und "dunkel"). Sie sind nicht als historische Wirklichkeit gedacht, sondern als Darstellung einer archetypischen, metaphysischen Struktur „hinter der Wirklichkeit“ in sprachlichen Bildern (vergleiche die biblische "Genesis").  Einen weiteren Schwerpunkt von Mythologien bilden die Erschaffung des Menschen und, von den ersten Menschen ausgehend, die genealogische Ableitung von Herrschergeschlechtern, seltener von Göttern oder von anderen Völkern hohen Ansehens. Sie dienen der religiösen Herrschaftslegitimation und dem Zusammengehörigkeitsbewusstsein von Stämmen durch das „Wir-Gefühl“ gleicher Abstammung. Als Beispiel kann die altnordische Ynglingatal dienen (siehe auch Herkunftssage, Origo gentis).

Als Mythologie (von „Erzählung, Rede“, und "legein" „erzählen“), deutsch auch Sagenwelt, wird die Gesamtheit der Mythen eines Kulturareals oder eines Volks, einer Region oder einer sozialen Gruppe sowie ihre systematische Darlegung in literarischer, wissenschaftlicher oder religiöser Form bezeichnet. Daneben bestehen verschiedene kulturübergreifende Unterteilungen wie die Astralmythologie, die Zahlenmythologie und die Eschatologie. Das deutsche Wort „Mythologie“ fand erstmals 1712 Verwendung in dem Buch "Die teutsche Mythologie oder Beschreibung heidnischer Götter".

在民俗学上,神话是指关于人类和世界变迁的神圣故事。在广义上,“神话”可以指任何古老传说, 借由故事的形式来表达民族的意识形态。 神话来源于原始社会时期,人类通过推理和想象对自然现象作出解释。但是由于这时的知识水准非常低下,因此经常笼罩着一层神秘的色彩。