Elektrotehnika

Elektrotehnika ir tehniska zinātne, inženierijas nozare, kuras mērķis ir atrast veidus, kā praktiski dzīvē var izmantot elektrības sniegtās iespējas. Elektrotehnika par patstāvīgu zinātnes nozari kļuva 19. gadsimta beigās, kad cilvēkam kļuva iespējams elektrību pārvadīt pa vadiem.

Mūsdienās elektrotehnika ietver tādas zinātnes kā enerģētiku, elektroniku, telesakari.

Vēsture

Sākotnējā elektrības attīstība 

Elektrība ir bijusi zinātnes interešu lokā jau kopš 17. gs., tomēr tikai 19. gs. pētījumi šajā jomā sāka aktivizēties. Ievērojami sasniegumi šajā gadsimtā iekļauj Georga Oma darbu, kurš 1827. gadā atklāja sakarību starp elektrisko strāvu un potenciālu starpību konduktorā, Maikls Faradejs, kurš atklāja elektromagnētisko indukciju 1831. gadā, un Džeims Klerks Maksvels, kurš 1873. gadā publicēja vienotu teoriju par elektrību un magnētismu savā darbā “Elektrība un Magnētisms”.
Šajā periodā darbs šajā nozarē dramatiski pieauga. 1882. gadā Edisons ieslēdza pasaules pirmo liela izmēra elektrības piegādes tīklu, kas nodrošināja 110 voltu līdzstrāvu 59 patērētājiem Manhatanā. 1887. gadā Nikola Tesla ieguva vairākus patentus uz konkurējošu elektrības izplatīšanas formu — maiņstrāvu, kas izrādījās efektīvāka par līdzstrāvu. Nākamajos gados izvērsās smaga konkurences cīņa starp Teslu un Edisonu par strāvas piegādi, un kura ir pazīstama kā “Cīņas par Strāvu” (“War of Currents”).
Abu zinātnieku pūliņi daudz palīdzēja elektrotehnikas attīstībā — tādi Teslas izgudrojumi kā indukcijas motori un polifāzes sistēmas ļoti ietekmēja nozares attīstību, kamēr Edisona darbi pie telegrāfa un biržas telegrāfa (pirmā mehāniskā ierīce, kuras uzdevums bija pārsūtīt tālās distancēs biržas cenas pa telegrāfu) izvērsās ļoti ienesīgi viņa kompānijai — “General Electric”. Tomēr 19. gs. beigās sāka parādīties citas centrālās personas elektrotehnikas attīstībā.

Radio un elektronikas parādīšanās 
1888. gadā Heinrihs Rudolfs Hercs bija pirmais zinātnieks, kurš pārraidīja un uztvēra radio viļņus, izmantojot elektrisko aprīkojumu. Savukārt 1895. gadā Aleksandrs Popovs veica pirmo bezvadu radio translāciju 60 metru attālumā, kuram sekoja Guglielmo Marconi, kurš pārraidīja radiosignālu 2,4 kilometru attālumā. Džons Flemings 1904. gadā izgudroja pirmo diodi. Divus gadus vēlāk, Roberts von Liebens un Lee De Fortests neatkarīgi viens no otra izgatavoja triodi. Manfreds von Ardennens izgatavoja 1931. g. katodu staru cauruli — izšķirošu tehnoloģiju, kas nepieciešama televīzijai.
1920. g. Alberts Hulls izgatavoja magnetronu, kurš laika gaitā novestu Persiju Spenseru līdz mikroviļņu krāsniņas izstrādāšanas 1946. gadā. 1934. gadā britu armija uzsāka savus pūliņus radara izgatavošanā, kuri noveda līdz pirmās radara stacijas izgatavošanas Bavsdejā 1936. gada augustā.
1941. g. Konrāds Cūze prezentēja Z3 jeb pirmo pilnīgi funkcionālo un programmējamo datoru pasaulē. 1946. g. Z3 sekoja ENIAC (“Electronic Numerical Integrator and Computer”), kuru izstrādāja Džons Prespers Eckerts un Džons Maurčlijs, un kura aizsāka datoru ēru. Šo mašīnu aritmētiskā funkcionalitāte ļāva inženieriem attīstīt pavisam jaunas tehnoloģijas un sasniegt jaunus mērķus, tādus kā Apollo misijas un NASA nolaišanos uz Mēness.

Tranzistori, kurus izgatavoja 1947. g. Viljams B. Šoklijs, Džons Bardīns un Valters Brattans, atvēra durvis kompaktākām ierīcēm un noveda zinātniekus Džeku Kibliju 1958. g. un Robertu Noicenu 1959. g. pie integrētu ķēžu izgatavošanas. 1968. g. Marcians Hoffmans izgudroja pirmo mikroprocesoru Intel kompānijā un tādējādi aizliesmoja personālu datoru izgatavošanu. Pirmais mikroprocesora realizācija bija Intel 4004 procesors, 4 bitu procesors, kuru izgatavoja 1971. gadā, tomēr tikai 1973. g. Intel 8080, 8 bitu procesors, tika izmantots, lai padarītu pirmā personālā datora, Altair 8800, izgatavošanu iespējamu.

Praktizējoši inženieri 
Vairākumā valstu ir nepieciešams bakalaura grāds inženierijā, kas ir pirmais solis ceļā uz profesionālu sertifikāciju. Kā arī pašai programmai jābūt profesionālās komitejas sertificētai. Pēc grāda iegūšanas, inženierim jāizpilda dažādas prasības (ieskaitot darba pieredzes prasības) pirms viņu sertificē.
Sertifikācijas priekšrocības var būt akarīgas no vietas. Piemēram, ASV un Kanādā “tikai licencēts inženieris ... var veikt dažādus inženierijas darbus sabiedriskiem vai privātiem klientiem”. Toties citās valstīs, kā, piemēram, Austrālijā, šādi likumi neeksistē. Tomēr pat jurisdikcijās, kur sertifikātiem ir maza vai nav vispār nekādas nozīmes, inženieri ir pakļauti kontrakta likumam. Gadījumos, kur inženiera darbs izgāžas, inženieri ir pakļauti sodam par nolaidību un, ekstrēmos gadījumos, nolaidība var tikt tiesāta kā kriminālnoziegums. Kā arī inženieriem ir jāpakļaujas citiem likumiem, kā, piemēram, vides likumam. Praktiski visi sertificētie inženieri ir iesaistīti organizācijās ar stingriem ētikas kodeksiem, kuriem ir jāpakļaujas visiem biedriem. Šādā veidā organizācijām ir liela nožime ētikas standartu uzturēšanā.
Tādās valstīs kā Austrālijā, Kanādā un ASV elektrotehniķi sastāda 0,25% no visa darbaspēka apjoma. Tomēr mērot, cik elektrotehniķi pabeidz studijas uz vienu cilvēku valstī, iespējams, vislielākais elektrotehniķu skaits ir Japānā un Dienvidkorejā.

Prasmes un pienākumi 
Elektrotehniķi ir atbildīgi par plašu tehnoloģiju loku, sākot ar globālās pozicionēšanas sistēmām līdz elektriskās strāvas ģenerātoriem. Viņi dizainē, attīsta, testē un pārrauga elektrisko ierīču un sistēmu veidošanu. Piemēram, elektriskie inženieri var strādāt pie telesakaru sistēmām, mājas apgaismošanas, mājas iekārtu dizainēšanas vai elektriskās kontroles iekārtām dažādās mašinērijās.
Pats pamats šai disciplīnai ir fizikas un matemātikas zinātnes. Mūsdienās inženierijas darbs iekļauj datora un dažādu palīgprogrammu izmantošanu. Tomēr prasme uzskicēt idejas ir joprojām ļoti vērtīga, lai ātri saprastos ar citiem.
Kaut arī vairākums elektrotehniķu sapratīs elektrisko ķēžu darbības teorijas pamatprincipus, teorijas, kuras nepieciešamas inženierim, parasti ir atkarīgas no nozares, kurā viņš strādā. Pat elektrisko ķēžu teorija var nebūt nepieciešama personai, kura dizainē telesakaru sistēmas, kuras izmanto jau gatavus izstrādātus dizaina elementus. Iespējams, ka vissvarīgākā elektrotehniķa prasme ir atspoguļota universitāšu programmās, kuras uzsver matemātiskās, datora izmantošanas prasmes, kā arī spēju izprast nozares terminoloģiju un ar elektrotehniku saistītos jēdzienus.
Vairākumam inženieru tehniskais darbs aizņem tikai daļu no darba, ko viņš veic. Daudz laika inženieris pavada pie tādiem uzdevumiem, kā piedāvājuma diskutēšana ar klientu, budžeta sagatavošanas un projekta realizēšanas plāna izveidošanas. Daudzi pieredzējušie inženieri vada tehniķu komandas vai citus inženierus, tādēļ projekta vadīšanas prasmes ir nozīmīgas. Vairums inženierijas projekti iekļauj dažādas dokumentācijas formas, un tādēļ ir svarīgas spēcīgas komunigācijas prasmes caur rakstību.

Apakšdisciplīnas

Strāva 
Strāvas inženierija nodarbojas ar elektrības ražošanu, pārsūtīšanu un izdalīšanu, kā arī ar attiecīgo iekārtu izstrādāšanu. Piemēram, transformatoriem, elektrības ģeneratoriem, elektrodzinējiem un strāvas elektronikai. Daudzviet pasaulē valstis uztur elektrisko tīklu, kurš savienu dažādus ģenerātorus vienā tīklā. Tīklā izmantotāji pērk elektroenerģiju no tīkla, tādējādi izvairoties no tā, ka pašiem būtu jāražo dārga.

Elektronika 
Elektronikas inženierija iekļauj elektrisko ķēžu projektēšanu un testēšanu, kuras izmanto tādas detaļas, kā rezistorus, kondensatorus, induktorus, diodes un tranzistorus, lai sasniegtu noteiktu funkcionalitāti. Piemēram, ķēdes, kuras palīdz radio lietotājam izfiltrēt vienu konkrētu radio staciju.
Pirms integrēto ķēžu izgudrošanas 1959. gadā elektriskās ķēdes izgatavoja no atsevišķiem komponentiem, ar kurām cilvēks varēja rīkoties. Šīs elektriskās ķēdes aizņēma daudz vietas un patērēja daudz enerģijas un bija ierobežotas ātrumā, tomēra arī mūsdienās joprojam tās tiek bieži izmantotas. Pretstatā, integrētās ķēdas satur lielu skaitu, reizēm pat miljoniem, sīku elektrisku komponentu, galvenokāt tranzistorus, kuri ir sapakoti mazā čipā apmēram monētas izmērā. Tas deva iespēju jaudīgu datoru un citu elektrisku iekārtu radīšanai.

Mikroelektronika 
Mikroelektronika nodarbojas ar mazu elektronisku komponentu izgatavošanu priekš integrētām ķēdēm. Visplašāk izmantotā detaļa mikroelektronikā ir pusvadītājtranzistori, kaut arī visas galvenās elektronikas detaļas (rezistori, kondensatori, induktori) var izgatavot mikroskopiskā izmērā. Vairums detaļu veido noteiktā procesā, kurā sajauc silīciju ar citiem atomiem, lai iegūtu vēlamo elektromagnētisko efektu. Tādēļ mikroelektronika iekļauj sevī nozīmīgu kvantu mehānikas un ķīmijas apjomu.

Signālu apstrāde 
Signālu apstrāde nodarbojas ar signālu manipulēšanu un to analīzi. Signāli var būt vai nu analogi, kurā gadījumā signāls mainās nepārtraukti pēc informācijas, vai nu ciparu, kurā gadījumā signāls mainās pēc atsevišķu vērtību sērijām, kuras attēlo informāciju. Analogiem signāliem signālu apstrāde var iekļaut audio signāla pastiprināšanu un filtrēšanu audio aparatūrai, vai arī signāla modulāciju un demodulāciju telesakariem. Ciparsignāliem signālu apstrāde var iekļaut ciparsignālu kompresiju, kļūdu pārbaudi un kļūdu noteikšanu.

Telesakari 
Telesakaru inženierija koncentrējas uz informācijas pārsūtīšanu caur kanāliem tādiem, kā kabeļiem, optiskajām šķiedrām vai tukšu telpu. Pārraide cauri tukšai telpai pierasa, lai informācija būtu iekodēti nesējvilnī, lai pārvietotu informāciju nesējfrekfencē, kura būtu piemērota pārraidei. Tā ir pazīsama kā modulācija. Poplāras analogās modulācijas tehnikas iekļauj apmlitūdas modulāciju un frekfences modulāciju. Modulācijas izvēle ietekmē sistēmas izmaksas un veikstpēju, tādēļ šie divi faktori ir inženierim rūpīgi jāsabalansē.
Kad reiz pārraides sistēmas raksturs ir notikts, telesakaru inženieris dizainē pārraidītāju un uztvērēju, kura ir nepieciešama sistēmai. Dažkārt abi ir sakombinēti vienā iekārtā, kuru mēdz saukt par raiduztvērēju. Pamata jautājums pārraidītāja uzbūvē ir tā enerģijas patēriņš, kurš ir cieši saistīts ar signāla stiprumu. Ja raidītāja signāla stiprums nav pietiekošs, tad signāla informācija izkropļosies un būs signālā trokšņi.

Mērierīču inženierija 
Mērierīču inženierija nodarbojas ar tādu iekārtu dizainēšanu, kuras mēra fiziskus lielumus tādus, kā spiedienu, plūsmu un temperatūru. Šādu ierīču dizainēšana pieprasa labu izpratni fizikā, kura bieži sniedzas tālu aiz elektromagnētisma teorijas. Piemēram, radara pistoles izmanto Doplera efektu, lai mērītu tuvojošā transporta ātrumu. Bieži mērierīces netiek izmantotas atsevišķi, bet kā sensori lielākās sistēmās.

Datorinženierija 
Datorinženierija nodarbojas ar datoru un datorsistēmu dizainēšanu. Tas var sevī iekļaut jaunu datoru detaļu dizainēšanu, plaukstasdatoru dizainēšanu vai datoru izmantošanu industriālu iekārtu kontrolei. Datorinženieri var arī strādāt pie sistēmas programmām. Tomēr ar sarežģītu datorprogrammu sistēmu dizainēšanu parasti nodarbojas programmu inženierija, kura parasti tiek uzskatīta par atsevišķu nozari. Galdadatori pārstāv tikai mazu daļu no iekārtām, pie kurām datorinženieries var strādāt, jo datoram līdzīgu uzbūvi var mūsdienās atrast plašā ierīču lokā, iekļaujot videospēļu konsoles un DVD pleijerus.

Saistītās disciplīnas 
Mehatronika ir inženierijas nozare, kura nodarbojas ar elektrisku un mehānisku sistēmu sapludināšanu. Šādas kombinētas sistēmas ir zināmas kā elektromehāniskas sistēmas, un tām ir plašs lietojums. Piemēram, automatizētas ražošanas sistēmas, sildīšanas, ventilācijas sistēmas un dažādas aviācijas un automašīnu apakšsistēmas.
Termins mehatronika parasti tiek izmantots, lai atsauktos uz lielām sistēmām, bet futūristi ir paredzējuši ļoti mazu elektromehānisku sistēmu parādīšanos. Jau tagad šādas sistēmas eksistē, kuras ir zināmas kā mikroelektromehāniskas sistēmas (MEMS- micro electromehanical systems) un tiek izmantotas automobiļos, lai pateiktu gaisa spilvenam, kad aktivizēties, digitālos projektoros, lai padarītu bildi asāku, tintes printeros, lai izgatavotu printera galviņas, kuras spētu izdrukāt augstas izšķirtspējas bildes. Tiek cerēts, ka nākotnē MEMS palīdzēs uzbūvēt mikroskopiskas, implantējamas medicīniskās iekārtas un uzlabos optiskās komunikācijas.

Biomedicīniskā inženierija ir vēl viena saistīta nozare, kura nodarbojas ar medicīnisko aprīkojumu.

Skatīt arī 
 Elektronika