電機工程學

電氣工程是以電子學、電磁學等物理學分支為基礎，涵蓋電子學、電子計算機、電力工程、電信、控制工程、訊號處理、機械電子學等子領域的一門工程學。十九世紀後半期以來，隨著電報、電話、電能在供應與使用方面的商業化，該學科逐漸發展為相對獨立的專業領域。電機工程廣義上涵蓋該領域的分支，但在有些地方，「電氣工程」。另一種區分法為，電力工程師著重於電能的傳輸，而電子工程師則著重於利用電子訊號進行資訊的傳輸。這些子領域的範圍有時也會重疊：例如，電力電子學使用電力電子元件對電能進行變換和控制；又如，智慧電網偵測電能供應者的電能供應狀況與一般家庭使用者的電能使用狀況，並據之調整家電用品的耗電量，以此達到節約能源、降低損耗、增強輸電網路可靠性的目的。因此，電機工程亦函蓋電子工程部分領域的專業知識。歷史.自從十七世紀初期，關於電的現象就已經成為一門科學探索論題。威廉·吉爾伯特大概是最早幾位電機工程師之一，他首先設計出用於偵測靜電荷存在的靜電驗電器，亦最先明確地分辨與指出磁與電的不同，並且為術語「電」命名。1775年，亞歷山德羅·伏打做科學實驗改良完善了可用於製造靜電荷的起電盤。1800年，他又成功開發出能夠持續產生比較穩定電流的伏打堆，是最早出現的化學電池。然而，相關的研究直到19世紀才正式展開。19世紀.1827年，格奧爾格·歐姆提出的歐姆定律表明電流、電壓及電阻之間在電路裡的定量關係。1831年，麥可·法拉第發現電磁感應作用。1873年，詹姆斯·麥克斯韋在著作《電磁通論》裡整合前人工作，提出麥克斯韋方程組，從此開啟古典電動力學的紀元。從1830年代起，對於電磁學知識的實際應用所做的種種努力最終得到一個重要成果，那就是電報技術。19世紀落幕時，由於陸線的出現，快速通訊終於得以實現，整個世界的通訊建構也因此澈底被改變。為了確保當表述與應用電磁學理論時，在度量衡方面不會遭遇困難與誤解，擬定一套簡易與便利的度量衡標準單位顯得尤為必要。對於這方面的研究促使國際標準單位的設定與採用，如伏特、安培、庫侖、法拉與亨利。這一國際標準制度於1893年在芝加哥達成共識，從而奠定了各種工業對於標準單位制度未來進步的基礎。很多國家即刻立法承認這些國際標準單位有效。在這幾十年裡，電機工程學籠統地被歸類為物理學的一個分支領域。1882年，德國的達姆施塔特工業大學置立世界第一個電機工程學教授席位。同年，麻省理工學院物理系開始推出電機工程學方向的學士學位課程。1883年，達姆施塔特工業大學建立電機系，成為全世界最先建立電機系的大學。1885年，康乃爾大學成為美國最先建立電機系的大學。1885年，倫敦大學學院創立了英國首所「電機技術系」，第一任系主任為約翰·弗萊明，幾年後系名改為電機工程系。1886年，密蘇裡大學也建立了電機工程系，據一些述，密蘇裡大學正是最先建立電機工程系的美國大學很快地，包括喬治亞理工學院在內的許多大學都仿效之設立電機工程系。經過這幾十年發展，電機工程學的應用領域急劇地擴大。1882年，湯瑪斯·愛迪生建成全世界第一個大型電力網，能夠提供電壓為110伏特的直流電給59位紐約曼哈頓島顧客。1884年，查爾斯·帕森斯爵士發明瞭蒸汽渦輪發動機。現在，使用渦輪發動機從各種各樣的熱能源轉化出的機械能，總共可以提供全世界電能用量的80%左右。1880年代後期，見證了兩種顯著不同的電能傳輸方式的文明對抗。原本直流電方式使用直流電來傳輸電能，新近出現的交流電方式使用交流電來傳輸電能，這引發一場所謂的「電流戰爭」。交流電方式的發電技術與電能傳輸技術比較優良，特別是交流電允許使用變壓器來提升或降低的電壓。另外，使用高壓交流電大大地擴充套件了電能傳輸的範圍，使用變壓器提升電能傳輸的安全性和效率。由於上述這些優勢，交流供電方式逐漸取代直流供電方式。近代發展.在無線電技術發展期間，許多科學家和發明家分別對無線電和電子學做出了貢獻。於1888年所做的經典實驗中，海因裡希·赫茲使用電機裝置傳輸並接收到無線波段的無線電波，以此證實無線電波存在。1895年時，尼古拉·特斯拉從他在紐約實驗室發射出的無線電訊號，在距離大約50公里之遠的紐約西點都可以接收得到。1897年時，卡爾·布勞恩開始將陰極射線管裝配於示波器中，之後陰極射線管也成為電視機的關鍵零元件。1904年時，約翰·弗萊明首先發明二極體，兩年後，羅伯特·凡李本。1895年，古列爾莫·馬可尼進一步改良了赫茲的無線電傳送方法，將無線電訊號傳送距離延長到1.5英里成立第一座雷達站，並於1936年8月開始運作。1941年，德國科學家康拉德·楚澤展示了用機電元件製成的全世界第一部全功能可程式化電腦，即Z3系統。1943年，湯米·傅勞斯的督導下，誕生於美國賓夕法尼亞大學。ENIAC一般被認為是世上第一部「一般用途」電子計算機，它的發明是現代計算機發展史上重要的里程碑。特大突破──固態器件和積體電路.1947年，在貝爾實驗室工作的威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓發明瞭固態電晶體。這是二十世紀最重要發明之一。電晶體具有可量產、可小型化、低成本等等優點，幾乎所有現代電子產品都需要用到電晶體。因為「對半導體的研究和發現電晶體效應」，肖克利、巴丁和布喇頓共同榮獲1956年諾貝爾物理學獎。1958年傑克·基爾比和1959年羅伯特·諾伊斯分別獨立發明積體電路。應用積體電路技術，可以把大量微電晶體整合到一個小晶片上，為微處理器的出現提供了可能性。英特爾公司在1971年推出的Intel 4004微處理器是全球第一款微處理器，是由馬辛·霍弗與他的團隊共同設計實現而成，能執行4位元運算。1973年，英特爾公司又設計成功八位元微處理器Intel 8080，第一部個人電腦Altair 8800的內部就配置了一顆Intel 8080。目前單個超大規模積體電路晶片能夠整合超過1,000,000個電晶體。學科教育.電機工程師通常會經過“電機工程學”、“電子工程”或“電力電子工程”等名目的學位教育。儘管各種學位的側重有所不同，但是它們大都要求學生學習一系列共同的基礎課程。完成學業一般需要四年或五年時間。由於學校的性質有別，學生在完成學業之後可能會被授予工學學士、理學學士、技術學士。在設計傳送機時，需要重點考慮的是功率損耗，而這項引數又與其訊號強度密切相關。如果傳送訊號的強度不夠高，那麼訊號很可能會被雜訊干擾，所需的資訊便不能正確到達接收機。隨著行動電話成為人們日常生活中常見的便攜裝置，技術人員逐漸為之添加了很多語音通話之外的附加功能，例如簡訊、Wi-Fi，使得電話也成為了移動網際網路裝置。這些方便、快捷的服務，都基於通用分組無線服務、EV-DO或3G這類基礎通訊技術。目前，4G已經處於研究、測試階段。測量.儀表、感測器利用物體在不同條件下表現出的不同狀態來測量物理量，例如壓力、溫度等。由於電訊號能夠方便地處理來實現測速；而熱電偶則利用溫差電來測量溫度。控制系統通常需要從外部獲取資訊，並給予外界一定的控制訊號。仍以汽車為例，巡航定速系統需要使用速度感測器或速度儀表來監視汽車的運動狀態，然後將此資訊傳遞給中央處理器，中央處理器則根據駕駛者預先設定的目標速度和當前速度的差異來決定發動機工作的狀態。因此，測量技術是控制工程的一個重要的組成部分，只是它更關注物理量的提取。目前，測量技術正向著小型化、快速化發展，其精度也不斷提高。計算機工程.計算機工程主要是指計算機和計算機系統的設計。它包含了計算機硬體、行動式電子產品、超級計算機等的設計。計算機工程還涉及了硬體系統的軟體。然而，計算機工程通常不涉及那些與硬體關聯較小的應用軟體設計，那些部分通常被視為軟體工程的範疇。隨著計算機工程的發展，特殊應用積體電路和系統晶片等積體電路的整合規模不斷提高，功能也不斷增強。積體電路的規模自出現始，就在不斷增大。目前，超大規模積體電路的設計、模擬、驗證都逐漸得到電子設計自動化工具的支援。設計師現在可以專注於構建電路系統的邏輯功能，而在計算機輔助下完成佈線、佈局、版圖方面的繁瑣任務。主流的硬體描述語言的功能使設計人員能夠以類似計算機程式設計的方式來完成複雜硬體電路的設計。計算機工程專業的從業者需要有良好的電子學基礎，同時還應該具備一定的計算機操作和程式設計能力。相關學科.機械電子學處於電機系統與機械繫統的交叉領域。這種合併而成的系統稱為機電系統，在工、商、國防、學術領域獲得廣泛應用，例如，自動化製造系統、暖通空調、飛機和汽車的各種分支系統。術語「機械電子」通常指的是宏觀系統。但是，未來學專家預言，不久的將來，微小機電器件會像雨後春筍般湧現。就某種程度而言，這預言已經開始實現。在汽車裡已裝配了高功能微機電系統，它能夠感測撞擊，從讀取的資料做決定，告訴安全氣囊是否應該開始膨脹。噴墨印表機倚靠微機電系統來達成高解析度印表任務。工程師希望研究出更先進的微機電科技，以製成極小的植入式醫療器材，或者改良光開關科技。工程科學系是屬於電機工程、資訊工程、機械工程等等整合之科系；俗稱「工科系」。另外一門相關學科是生物醫學工程，它涉及到醫療器材的設計。這大致分為固定器材與行動器材兩種。核磁共振譜儀、心電圖儀器等等都屬於固定器材，而人工耳蝸、心律調節器、人工心臟等等則屬於行動器材。