电机工程学

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电气工程是以电子学、电磁学等物理学分支为基础，涵盖电子学、电子计算机、电力工程、电信、控制工程、讯号处理、机械电子学等子领域的一门工程学。十九世纪后半期以来，随着电报、电话、电能在供应与使用方面的商业化，该学科逐渐发展为相对独立的专业领域。

电机工程广义上涵盖该领域的分支，但在有些地方，“电气工程”（Electrical Engineering）一词的意义有时不包括“电子工程学”（Electronic Engineering）。这个情况下，“电气工程”是指涉及到大能量的电力系统（如电能传输、重型电机机械及电动机），而“电子工程”则是指处理小信号的电子系统（如计算机和积体电路）。

另一种区分法为，电力工程师着重于电能的传输，而电子工程师则着重于利用电子讯号进行资讯的传输。这些子领域的范围有时也会重叠：例如，电力电子学使用电力电子元件对电能进行变换和控制；又如，智慧电网侦测电能供应者的电能供应状况与一般家庭使用者的电能使用状况，并据之调整家电用品的耗电量，以此达到节约能源、降低损耗、增强输电网络可靠性的目的。因此，电机工程亦函盖电子工程部分领域的专业知识。

## 历史

自从十七世纪初期，关于电的现象就已经成为一门科学探索论题。威廉·吉尔伯特大概是最早几位电机工程师之一，他首先设计出用于侦测静电荷存在的静电验电器，亦最先明确地分辨与指出磁与电的不同，并且为术语“电”命名。1775年，亚历山德罗·伏打做科学实验改良完善了可用于制造静电荷的起电盘（electrophorus）。1800年，他又成功开发出能够持续产生比较稳定电流的伏打堆，是最早出现的化学电池。然而，相关的研究直到19世纪才正式展开。

### 19世纪

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1827年，格奥尔格·欧姆提出的欧姆定律表明电流、电压及电阻之间在电路里的定量关系。1831年，麦可·法拉第发现电磁感应作用。1873年，詹姆斯·麦克斯韦在著作《电磁通论》里整合前人工作，提出麦克斯韦方程组，从此开启古典电动力学的纪元。

从1830年代起，对于电磁学知识的实际应用所做的种种努力最终得到一个重要成果，那就是电报技术。19世纪落幕时，由于陆线（land-line）、海底电缆及约1890年无线电报术（wireless telegraphy）的出现，快速通讯终于得以实现，整个世界的通讯建构也因此彻底被改变。

为了确保当表述与应用电磁学理论时，在度量衡方面不会遭遇困难与误解，拟定一套简易与便利的度量衡标准单位显得尤为必要。对于这方面的研究促使国际标准单位的设定与采用，如伏特、安培、库仑、法拉与亨利。这一国际标准制度于1893年在芝加哥达成共识，从而奠定了各种工业对于标准单位制度未来进步的基础。很多国家即刻立法承认这些国际标准单位为有效。

在这几十年里，电机工程学笼统地被归类为物理学的一个分支领域。1882年，德国的达姆施塔特工业大学置立世界第一个电机工程学教授席位。同年，麻省理工学院物理系开始推出电机工程学方向的学士学位课程。1883年，达姆施塔特工业大学建立电机系，成为全世界最先创建电机系的大学。1885年，康乃尔大学成为美国最先建立电机系的大学。1885年，伦敦大学学院创立了英国首所“电机技术系”，第一任系主任为约翰·弗莱明，几年后系名改为电机工程系。1886年，密苏里大学也建立了电机工程系，据一些文献所述，密苏里大学正是最先建立电机工程系的美国大学。很快地，包括乔治亚理工学院在内的许多大学都仿效之设立电机工程系。

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经过这几十年发展，电机工程学的应用领域急剧地扩大。1882年，汤玛斯·爱迪生建成全世界第一个大型电力网，能够提供电压为110伏特的直流电给59位纽约曼哈顿岛顾客。1884年，查尔斯·帕森斯爵士（Sir Charles Parsons）发明了蒸汽涡轮发动机。现在，使用涡轮发动机从各种各样的热能源转化出的机械能，总共可以提供全世界电能用量的80%左右。

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1880年代后期，见证了两种显著不同的电能传输方式的文明对抗。原本直流电方式使用直流电来传输电能，新近出现的交流电方式使用交流电来传输电能，这引发一场所谓的“电流战争”。交流电方式的发电技术与电能传输技术比较优良，特别是交流电允许使用变压器来提升或降低的电压（这是直流电方式的一大缺乏）。另外，使用高压交流电大大地扩展了电能传输的范围，使用变压器提升电能传输的安全性和效率。由于上述这些优势，交流供电方式逐渐取代直流供电方式。

### 近代发展

在无线电技术发展期间，许多科学家和发明家分别对无线电和电子学做出了贡献。于1888年所做的经典实验中，海因里希·赫兹使用电机设备传输并接收到无线波段的无线电波，以此证实无线电波存在。1895年时，尼古拉·特斯拉从他在纽约实验室发射出的无线电讯号，在距离大约50公里之远的纽约西点都可以接收得到。

1897年时，卡尔·布劳恩开始将阴极射线管装配于示波器中，之后阴极射线管也成为电视机的关键零组件。1904年时，约翰·弗莱明首先发明二极管，两年后，罗伯特·凡李本（Robert von Lieben）和李·德富雷斯特也分别独立发明出一种能够放大电流的真空管——三极管（又称“放大管”）。

1895年，古列尔莫·马可尼进一步改良了赫兹的无线电传送方法，将无线电讯号传送距离延长到1.5英里（2.4公里）。1901年12月，为了要证实他已掌握到更先进的传送无线电波的科技，能够完全不受到地球曲度影响，他从英国康沃尔郡发射站发射出无线电讯号，穿越大西洋上空，在大西洋的另一边，加拿大纽芬兰圣约翰斯，居然收到了讯号，两处之间距离为2100mi！1920年时，阿尔伯特·赫耳（Albert Hull）发明了可生成微波的真空管——磁控管（magnetron）。1945年波西·斯本色（Percy Spencer）进而以此成功开发出微波炉。1934年，在哈利·温佩利斯（Harry Wimperis）的指导下，英国陆军开始利用微波科技来开发雷达，在鲍德希（Bawdsey）成立第一座雷达站，并于1936年8月开始运作。

1941年，德国科学家康拉德·楚泽展示了用机电元件制成的全世界第一部全功能可程式化电脑，即Z3系统。1943年，汤米·傅劳斯（Tommy Flowers）设计与制成巨像电脑，这是一部前所未有、完全用电子元件制成的固定程序、可程式化数位电脑。1946年2月15日，美军在第二次世界大战中由美国陆军投资研制的电子数值积分计算器（ENIAC），在先驱约翰·莫克利（John Mauchly）、约翰·伊克特（John Eckert）的督导下，诞生于美国宾夕法尼亚大学。ENIAC一般被认为是世上第一部“一般用途”电子计算机，它的发明是现代计算机发展史上重要的里程碑。

### 特大突破──固态器件和集成电路

1947年，在贝尔实验室工作的威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布喇顿发明了固态晶体管。这是二十世纪最重要的发明之一。晶体管具有可量产、可小型化、低成本等等优点，几乎所有现代电子产品都需要用到晶体管。因为“对半导体的研究和发现晶体管效应”，肖克利、巴丁和布喇顿共同荣获1956年诺贝尔物理学奖。

1958年杰克·基尔比和1959年罗伯特·诺伊斯分别独立发明积体电路。应用积体电路技术，可以把大量微晶体管整合到一个小芯片上，为微处理器的出现提供了可能性。英特尔公司在1971年推出的Intel 4004微处理器是全球第一款微处理器，是由马辛·霍弗（Marcian Hoff）与他的团队共同设计实现而成，能执行4位元运算。1973年，英特尔公司又设计成功八位元微处理器Intel 8080，第一部个人电脑Altair 8800的内部就配置了一颗Intel 8080。目前单个超大规模集成电路芯片能够集成超过1,000,000个晶体管。

## 学科教育

电机工程师通常会经过“电机工程学”、“电子工程”或“电力电子工程”等名目的学位教育。尽管各种学位的侧重有所不同，但是它们大都要求学生学习一系列共同的基础课程。完成学业一般需要四年或五年时间。由于学校的性质有别，学生在完成学业之后可能会被授予工学学士、理学学士、技术学士（Bachelor of Technology）、应用科学学士（Bachelor of Applied Science）中的一种学位。电机工程学的学士学位大多要求学生学习物理学、数学、计算机科学等必修课程、完成一个或多个与专业知识应用有关的项目设计，并选修一系列与电机工程学有关的其他课程。这些准备课程会让学生学习到电机工程学的基本原理和基本实践技能。随后，学生可以根据自己专注与兴趣选择一个或多个子学科修读，直到毕业。在许多学校，电子工程被包含在电机工程学之中，另一些学校则认为二者各自治理的学术知识足够宽广复杂，可以分头发展。

有的电机工程师选择在毕业后继续进行研究生阶段的学习，争取获得研究生学位，例如工程硕士（Master of Engineering）、理学硕士，或攻读哲学博士、工程博士（Engineering Doctorate）学位。电机工程学的硕士课程由课程作业、研究二者或二者之一构成。而博士课程则更侧重专题的研究，经常被视为是电机工程师学术生涯的起点。在英国和一些欧洲国家，工程硕士的学习经常被认为是本科学位的一个较小延伸，而不是严格意义上的研究生学习。

## 从业人员

在许多国家，获得工程学科的学士学位代表着专业认证的第一步，而学士课程本身也需要由专业机构进行认证。在完成认证课程之后，工程师还必须满足一系列要求（包括工作经验方面的要求）才能最终获得对应的专业认证。工程师可以获得注册工程师或其他类似的证书（执照）。例如，在美国、加拿大、南非，这些工程师可以正式成为“职业工程师”（professional engineer），在欧洲联盟则称为“欧洲工程师”（European engineer）。

在不同的地区，专业认证都会给工程师带来不同程度的好处。例如，在美国和加拿大，只有认证工程师可以签发公共或私人的工程项目。在很多国家，政府机构在州、省的法律中作出这一规定，例如《魁北克工程师法案》（Quebec's Engineers Act）。在其他的一些国家，则可能并没有这样的强制规定。不过大多数专业认证机构都设置了一系列规章制度以约束工程师，若违反则很有可能被开除。这样，行业组织就在工程师专业领域的规范化、标准化方面扮演了重要角色。但是，即使在专业认证管辖范围之外的工作部分，工程师仍然必须遵守工作的合同。在有些情况里，工程师的工作失败可能会被视为过失甚至玩忽职守。他们在工作时还必须考虑工程在环境保护方面的影响，并遵从现有的法律法规。

电气电子工程师学会是电机工程学领域最权威的专业机构之一，该协会宣称三成与电机工程学相关的学术文献都出自其成员。它在世界范围内拥有430000位成员，每年举办超过300场学术研讨会。另一著名组织英国工程技术协会（Institution of Engineering and Technology, IET）则出版了21种学术期刊，在全球范围拥有超过150000名会员，自称是欧洲最大的专业工程组织。在电机工程学领域，专业知识更新换代十分频繁。为了保持工作效率，工程师通常会选择参加各种职业组织，定期关注业界新动向，并参加继续教育——这在该行业里是相当必要的。

在澳大利亚和美国，电机工程师大约占总劳动力的0.25%。截至2006年，美国电机工程学相关领域从业人员300000人，这个数字在澳大利亚为17000人（2008年），大约占劳动力的0.2%。澳大利亚报道称其国内男性电机工程师的比例96%。

## 关注的重点

电机工程师对许多现代科学技术产品做出了重要的贡献，电机工程学的结晶在全球定位系统到发电系统等现代科技产物中随处可见。工程师设计、开发、测试和监视电机系统、电子设备的安装和部署。例如，他们参与电信系统的设计、发电厂的运维、建筑物照明和供电系统的审查、家用电器和工业机器的电能控制等。

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电机工程学的基础是物理学和数学，这两个基础学科帮助工程师获得电系统工作情况的定量、定性描述。如今，大多数工程学科都涉及计算机的使用，计算机辅助设计在电系统的设计和测试中亦十分普遍。尽管如此，对于工程师来说，拟定最初想法仍然是至关重要的。

虽然大多数电机工程师都能够理解最基本的电路分析知识（如有关电阻器、电容器、二极管、晶体管和电感元件知识），但对于不同的工作来说，应用的理论仍有所差异。例如，量子力学和固体物理学对于那些从事超大规模集成电路设计的工程师较为重要，而对通信工程设计方向的从业人士来说，则更侧重于信号处理及其相关的数学知识（如离散傅里叶变换）以及相对基础的电路分析知识。不同分支学科侧重的专业知识有所区分，不过总的来说，数学计算能力、基本计算机技术以及对于行业术语的理解还是被各个分支学科所看重。

对于许多电机工程师，技术工作只是他们日常工作的一部分，他们常常还会与客户进行讨论，规划项目预算和项目进度。而许多高级工程师则会负责管理一个技术团队，对于他们来说，项目管理能力相当重要。许多工厂技术项目会涉及到多种文档的记录和编写，因而良好的写作、交流能力同样不可忽视。电机工程师的工作环境根据他们的专业侧重而有所区别。

## 分支

电机工程学拥有许多分支学科，以下列出几种最广为人知的学科。很多电机工程师的工作只专注其中某一个分支，有些则会涉及到多个分支学科的交叠。有的领域，例如电子工程和计算机工程，则被认为是相对独立的学科。

### 电力电子学

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电力电子学主要涉及电能的生成、输送、配送几个步骤，以及一些相关设备的设计。这些设备包括交流-直流转换器（整流器、斩波器、变频器和逆变器）、变压器、发电机、继电器、特殊高压电等应用技术产品及其他电力电子学器件。大多数政府会投资建设并维护输电网络系统，以将各个大型发电机和各地电能用户连接起来。用户通过将电器连接到电网，就可以以商品的形式获得电能，而不需要自己购买发电机发电。电力电子工程师的工作主要是设计和维护电网及相连的电力系统。这种“上网”设施会给予电网额外的电能，或者会消耗电能，或者兼具这两种运作能力。另外有一类被称为“下网”的电力系统则在某些情况下优于“上网”系统，例如，在不能够连接到电网的行驶车辆上。使用卫星控制电力系统是电力电子学研究的方向之一，凭借实时反馈系统，它可以避免功率波动、降低停电事故的概率。例如，中国的北斗卫星导航系统为电力系统的自动化调度、故障录波器、继电保护、监控系统以及发电厂机组自动控制提供了一个统一授时系统，使各个子系统能够依照准确、统一的时间标准稳定工作。

### 控制工程

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控制工程主要聚焦于建模复杂动态系统的可能行为和设计控制器来促使动态系统按照理想方式演进。控制工程应用广泛，例如民航飞机的飞行系统与推进系统，汽车的巡航定速系统等。发展出优良的控制理论是提升工业自动化的前提之一。工程师会利用电子电路、数字信号处理器、微控制器以及可编程逻辑控制器来实现嵌入式系统。随着科技的发展，控制系统本身越来越小，功率损耗越来越低，但是功能却反而不断提升。

控制工程师在设计控制系统（control system）时经常会使用到反馈这个概念。例如，具有巡航定速功能的汽车会持续监视汽车的速度，并报告给控制系统，然后控制系统根据当前汽车的速度调整内燃机的输出功率。假若控制系统能够定时得到反馈，则可按照控制理论做出适当的反应。

### 电子工程

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电子工程的范畴涵盖了对由电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管等电子元件构成的电子电路的设计与测试。基本的模拟电路、数字电路是构成任何现代电子信息系统的基本元素。

在第二次世界大战之前，电子工程的研究范围只是局限于各种通信技术、雷达、商用无线电以及早期的电视机技术。战后，随着消费性电子器件开始被发展，这一领域也快速扩展到现代电视机、无线电系统、计算机和微处理器。在1950年代下半叶，“电子工程”这个术语逐渐取代了“无线电工程”。

在1959年集成电路被发明之前，电子电路还是由分立的电子元件经过手工安装组成。这些分立电子电路的缺点是占用空间大、电能效率低、速度有限，但仍时常在某些特别应用区域使用。集成电路可以把大量的微电子元件（主要是微晶体管）整合到约同硬币尺寸的一个小芯片上。这也为制造当今到处可见的高功能计算机和其它电子器件提供了可能性。

### 微电子学

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微电子学主要研究集成电路中极小尺寸电路的设计和微加工（microfabrication）。这极小尺寸电路也可以单独制为普通电子器件。最常见的微电子器件包括半导体晶体管、电阻器、电容器和电感器，它们可以被加工到微观尺寸。纳电子学更加先进，研究范围亦转向特征尺寸达到纳米级别的器件。现代的电子器件已达纳米级别，100纳米工艺技术在2002年亦已成为业界标准。

微电子器件的制造工艺流程需要对硅（在高频率场合则需要用到砷化镓、磷化铟（indium phosphide）等化合物半导体）晶圆进行物理、化学加工，以使之可以提供理想的电荷传输与电流控制（在微电子学中，并非越高越好）。在研究这些制造工艺时，需要许多化学、材料科学方面的知识，而且必须考虑电子在低特征尺寸下的量子力学效应。基础的半导体器件包括二极管、双极性晶体管、金属氧化物半导体场效晶体管和金属半导体场效应管等。

### 信号处理

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信号处理是指对信号的分析和控制。信号可以分为模拟信号和数字信号，其中前者随真实信息连续变化，后者则基于代表真实信息的一系列离散数值变化。模拟信号处理一般会涉及音响设备放大或过滤音频信号，电信设备调制和解调电信信号。模拟信号和数字信号能够通过模拟数字转换器、数字模拟转换器相互转化。作为现代多媒体技术的基础，数字信号处理则常常牵涉取样信号的数据压缩、检错（error detection）、纠错（error correction），尤其是线性时不变系统理论、傅里叶变换等基本理论。

信号处理涉及到很多数学理论与大量数学运算。随着通信、控制、广播电视、电力电子学、生物医药工程等方面的发展，信号处理的应用范围不断扩大。虽然随着数字信号处理的迅速发展，很多模拟系统已被数字系统替代，但模拟信号处理仍然是许多控制系统中必不可少的部分。

数字信号处理能够在现场可编程逻辑门阵列、特殊应用积体电路、微处理器上获得实现。在许多现代电子系统与电子产品内部都可以找到专具数字信号处理器功能的集成电路，如标准清晰度电视、高清晰度电视、无线电与行动通信器件、高保真音响设备、杜比声音降躁算法、全球移动通信系统移动电话、数位音讯播放器、摄影机与数码照相机、汽车控制系统、静音耳机、数位频谱分析仪（spectrum analyzer）、智慧火箭导航、雷达、各种各样的图像处理、视讯处理（video processing）、语音处理等等。

### 通信工程

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远程通信主要关注信息于同轴电缆、光导纤维、自由空间等等通道的传送。为了实现信息在自由空间中的传送，就需要将信息编码注入频率适合传送的载波里，这过程称为调变。常用的模拟调制技术包括振幅调变和频率调制两种。调制技术的选择会影响系统的成本和性能，通常工程师需要从多方面衡量这两个因素的利弊，以获得最好的效果。

一旦确定了通信系统的信息传播特性，通信工程师就就可以开始设计发送机（Transmitter）和接收机。有时，这两种装置可以组成一个双向通信系统，同时实现发送和接收的功能，此种系统则称为收发器（Transceiver）。在设计发送机时，需要重点考虑的是功率损耗，而这项参数又与其信号强度密切相关。如果发送信号的强度不够高，那么信号很可能会被噪声干扰，所需的信息便不能正确到达接收机。

随着移动电话成为人们日常生活中常见的便携设备，技术人员逐渐为之添加了很多语音通话之外的附加功能，例如短信、Wi-Fi，使得电话也成为了移动互联网设备。这些方便、快捷的服务，都基于通用分组无线服务、EV-DO或3G这类基础通信技术。目前，4G已经处于研究、测试阶段。

### 测量

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仪表、传感器利用物体在不同条件下表现出的不同状态来测量物理量，例如压力、温度等。由于电信号能够方便地处理（模拟信号处理、数字信号处理），因此许多现代仪表采用电传感的原理工作。为了制造这些仪表装置，设计人员需要具备良好的物理学基础知识，特别是电磁学、材料科学、半导体物理学等子学科。例如，雷达测速计利用观察者感觉到行进中物体的频率与其波的本身频率的差别（多普勒效应）来实现测速；而热电偶则利用温差电来测量温度。

控制系统通常需要从外部获取信息，并给予外界一定的控制信号。仍以汽车为例，巡航定速系统需要使用速度传感器或速度仪表来监视汽车的运动状态，然后将此信息传递给中央处理器，中央处理器则根据驾驶者预先设定的目标速度和当前速度的差异来决定发动机工作的状态。因此，测量技术是控制工程的一个重要的组成部分，只是它更关注物理量的提取。目前，测量技术正向着小型化、快速化发展，其精度也不断提高。

### 计算机工程

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计算机工程主要是指计算机和计算机系统的设计。它包含了计算机硬件、便携式电子产品、超级计算机等的设计。计算机工程还涉及了硬件系统的软件。然而，计算机工程通常不涉及那些与硬件关联较小的应用软件设计，那些部分通常被视为软件工程的范畴。随着计算机工程的发展，特殊应用积体电路和系统芯片等集成电路的集成规模不断提高，功能也不断增强。

集成电路的规模自出现始，就在不断增大。目前，超大规模集成电路的设计、仿真、验证都逐渐得到电子设计自动化工具的支持。设计师现在可以专注于构建电路系统的逻辑功能，而在计算机辅助下完成布线、布局、版图方面的繁琐任务。主流的硬件描述语言（如Verilog和VHDL）的功能使设计人员能够以类似计算机编程的方式来完成复杂硬件电路的设计。计算机工程专业的从业者需要有良好的电子学基础，同时还应该具备一定的计算机操作和程序设计能力。

## 相关学科

机械电子学处于电机系统与机械系统的交叉领域。这种合并而成的系统称为机电系统（electromechanical system），在工、商、国防、学术领域获得广泛应用，例如，自动化制造系统、暖通空调、飞机和汽车的各种分支系统。

术语“机械电子”通常指的是宏观系统。但是，未来学专家预言，不久的将来，微小机电器件会像雨后春笋般涌现。就某种程度而言，这预言已经开始实现。在汽车里已装配了高功能微机电系统，它能够感测撞击，从读取的数据做决定，告诉安全气囊是否应该开始膨胀。喷墨打印机倚靠微机电系统来达成高分辨率印表任务。工程师希望研究出更先进的微机电科技，以制成极小的植入式医疗器材，或者改良光开关科技。

工程科学系是属于电机工程、资讯工程、机械工程等等整合之科系；俗称“工科系”。

另外一门相关学科是生物医学工程，它涉及到医疗器材的设计。这大致分为固定器材与行动器材两种。核磁共振谱仪、心电图仪器等等都属于固定器材，而人工耳蜗、心律调节器、人工心脏等等则属于行动器材。

在光子学（Photonics）领域中，光子设备和电子设备有着同样的原理。电子设备以控制电子为基础，而光子设备通过控制光子来实现类似功能。这种光子设备有望使用基于光子的创新产品来取代传统的电子设备。目前的应用包括 DVD 光盘读头、全息图、光信号处理器和光纤通信系统。未来的应用还包括光学计算机、全息存储器和医疗设备。