电气工程及其自动化

**電機工程學**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，「電機工程學」（英語：Electrical Engineering）一詞的意義有時不包括「電子工程學」（英語：Electronic Engineering）。這個情況下，「電機工程學」是指涉及到大能量的電力系統（如電能傳輸、重型電機機械及馬達），而「電子工程」則是指處理小訊號的電子系統（如計算機和積體電路）。

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，智慧型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（electrophorus）。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裏的定量關係。1831 年，麥可・法拉第發現電磁感應作用。1873 年，詹姆斯・馬克士威在著作《電磁通論》裏整合前人工作，提出馬克士威方程組，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（land-line）、海底電纜及約 1890 年無線電報術（wireless telegraphy）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。

在這幾十年裏，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，密蘇里大學也建立了電機工程系，據一些文獻所述，密蘇里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（Sir Charles Parsons）發明了蒸汽渦輪發動機。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（這是直流電方式的一大缺乏）。另外，使用高壓交流電大大地擴展了電能傳輸的範圍，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 年所做的古典實驗中，海因里希・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組件。1904 年時，約翰・弗萊明首先發明二極體，兩年後，羅伯特・凡李本（Robert von Lieben）和李・德富雷斯特也分別獨立發明出一種能夠放大電流的真空管 —— 三極體（又稱「放大管」）。

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（2.4 公里）。1901 年 12 月，為了要證實他已掌握到更先進的傳送無線電波的科技，能夠完全不受到地球曲度影響，他從英國康沃爾郡發射站發射出無線電訊號，穿越大西洋上空，在大西洋的另一邊，加拿大紐芬蘭聖約翰斯，居然收到了訊號，兩處之間距離為 2,100 英里（3,400 公里）！1920 年時，阿爾伯特・赫耳（Albert Hull）發明了可生成微波的真空管 —— 磁控管（magnetron）。1945 年波西・斯本色（Percy Spencer）進而以此成功開發出微波爐。1934 年，在哈利・溫佩利斯（Harry Wimperis）的指導下，英國陸軍開始利用微波科技來開發雷達，在鮑德希（Bawdsey）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（Tommy Flowers）設計與製成巨像電腦，這是一部前所未有、完全用電子元件製成的固定程式、可程式化數位電腦。1946 年 2 月 15 日，美軍在第二次世界大戰中由美國陸軍投資研製的電子數值積分計算器（ENIAC），在先驅約翰・莫克利（John Mauchly）、約翰・伊克特（John Eckert）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──固態元件和積體電路

1947 年，在貝爾實驗室工作的威廉・肖克利、約翰・巴丁和沃爾特・布喇頓發明了固態電晶體。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（Marcian Hoff）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 的內部就組態了一顆 Intel 8080。目前單個超大型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（Bachelor of Technology）、應用科學學士（Bachelor of Applied Science）中的一種學位。電機工程學的學士學位大多要求學生學習物理學、數學、電腦科學等必修課程、完成一個或多個與專業知識應用有關的專案設計，並選修一系列與電機工程學有關的其他課程。這些準備課程會讓學生學習到電機工程學的基本原理和基本實踐技能。隨後，學生可以根據自己專注與興趣選擇一個或多個子學科修讀，直到畢業。在許多學校，電子工程被包含在電機工程學之中，另一些學校則認為二者各自治理的學術知識足夠寬廣複雜，可以分頭發展。

有的電機工程師選擇在畢業後繼續進行研究生階段的學習，爭取獲得研究生學位，例如工程碩士（Master of Engineering）、理學碩士，或攻讀哲學博士、工程博士（Engineering Doctorate）學位。電機工程學的碩士課程由課程作業、研究二者或二者之一構成。而博士課程則更側重專題的研究，經常被視為是電機工程師學術生涯的起點。在英國和一些歐洲國家，工程碩士的學習經常被認為是本科學位的一個較小延伸，而不是嚴格意義上的研究生學習。

## 從業人員

在許多國家，獲得工程學科的學士學位代表著專業認證的第一步，而學士課程本身也需要由專業機構進行認證。在完成認證課程之後，工程師還必須滿足一系列要求（包括工作經驗方面的要求）才能最終獲得對應的專業認證。工程師可以獲得註冊工程師或其他類似的憑證（執照）。例如，在美國、加拿大、南非，這些工程師可以正式成為「職業工程師」（professional engineer），在歐洲聯盟則稱為「歐洲工程師」（European engineer）。

在不同的地區，專業認證都會給工程師帶來不同程度的好處。例如，在美國和加拿大，只有認證工程師可以簽發公共或私人的工程專案。在很多國家，政府機構在州、省的法律中作出這一規定，例如《魁北克工程師法案》（_Quebec's Engineers Act_）。在其他的一些國家，則可能並沒有這樣的強制規定。不過大多數專業認證機構都設定了一系列規章制度以約束工程師，若違反則很有可能被開除。這樣，行業組織就在工程師專業領域的規格化、標準化方面扮演了重要角色。但是，即使在專業認證管轄範圍之外的工作部分，工程師仍然必須遵守工作的合同。在有些情況里，工程師的工作失敗可能會被視為過失甚至玩忽職守。他們在工作時還必須考慮工程在環境保護方面的影響，並遵從現有的法律法規。

電氣電子工程師學會是電機工程學領域最權威的專業機構之一，該協會宣稱三成與電機工程學相關的學術文獻都出自其成員。它在世界範圍內擁有 430000 位成員，每年舉辦超過 300 場學術研討會。另一著名組織英國工程技術協會（Institution of Engineering and Technology, IET）則出版了 21 種學術期刊，在全球範圍擁有超過 150000 名會員，自稱是歐洲最大的專業工程組織。在電機工程學領域，專業知識更新換代十分頻繁。為了保持工作效率，工程師通常會選擇參加各種職業組織，定期關注業界新動向，並參加繼續教育 —— 這在該行業里是相當必要的。

在澳大利亞和美國，電機工程師大約占總勞動力的 0.25%。截至 2006 年，美國電機工程學相關領域從業人員 300000 人，這個數字在澳大利亞為 17000（2008 年），大約占勞動力的 0.2%。澳大利亞報導稱其國內男性電機工程師的比例 96%。

## 關注的重點

電機工程師對許多現代科學技術產品做出了重要的貢獻，電機工程學的結晶在全球定位系統到發電系統等現代科技產物中隨處可見。工程師設計、開發、測試和監視電機系統、電子裝置的安裝和部署。例如，他們參與電信系統的設計、發電廠的運維、建築物照明和供電系統的審查、家用電器和工業機器的電能控制等。

電機工程學的基礎是物理學和數學，這兩個基礎學科幫助工程師獲得電系統工作情況的定量、定性描述。如今，大多數工程學科都涉及電腦的使用，電腦輔助設計在電系統的設計和測試中亦十分普遍。儘管如此，對於工程師來說，擬定最初想法仍然是至關重要的。

雖然大多數電機工程師都能夠理解最基本的電路分析知識（如有關電阻器、電容器、二極體、電晶體和電感元件知識），但對於不同的工作來說，應用的理論仍有所差異。例如，量子力學和固態物理學對於那些從事超大型積體電路設計的工程師較為重要，而對通信工程設計方向的從業人士來說，則更側重於訊號處理及其相關的數學知識（如離散傅立葉變換）以及相對基礎的電路分析知識。不同分支學科側重的專業知識有所區分，不過總的來說，數學計算能力、基本電腦技術以及對於行業術語的理解還是被各個分支學科所看重。

對於許多電機工程師，技術工作只是他們日常工作的一部分，他們常常還會與客戶進行討論，規劃專案預算和專案進度。而許多進階工程師則會負責管理一個技術團隊，對於他們來說，專案管理能力相當重要。許多工廠技術專案會涉及到多種文件的記錄和編寫，因而良好的寫作、交流能力同樣不可忽視。電機工程師的工作環境根據他們的專業側重而有所區別。

## 分支

電機工程學擁有許多分支學科，以下列出幾種最廣為人知的學科。很多電機工程師的工作只專注其中某一個分支，有些則會涉及到多個分支學科的交疊。有的領域，例如電子工程和電腦工程，則被認為是相對獨立的學科。

### 電力電子學

電力電子學主要涉及電能的生成、輸送、配送幾個步驟，以及一些相關裝置的設計。這些裝置包括交流 - 直流轉換器（整流器、斬波器、變頻器和變流器）、變壓器、發電機、繼電器、特殊高壓電等應用技術產品及其他電力電子學元件。大多數政府會投資建設並維護輸電網路系統，以將各個大型發電機和各地電能使用者連接起來。使用者通過將電器連接到電網，就可以以商品的形式獲得電能，而不需要自己購買發電機發電。電力電子工程師的工作主要是設計和維護電網及相連的電力系統。這種「上網」設施會給予電網額外的電能，或者會消耗電能，或者兼具這兩種運作能力。另外有一類被稱為「下網」的電力系統則在某些情況下優於「上網」系統，例如，在不能夠連接到電網的行駛車輛上。使用衛星控制電力系統是電力電子學研究的方向之一，憑藉即時回饋系統，它可以避免電力突波、降低停電事故的機率。例如，中國的北斗衛星導航系統為電力系統的自動化排程、故障錄波器、繼電保護、監視系統以及發電廠機組自動控制提供了一個統一授時系統，使各個子系統能夠依照準確、統一的時間標準穩定工作。

### 控制工程

控制工程主要聚焦於建模複雜動態系統的可能行為和設計控制器來促使動態系統按照理想方式演進。控制工程應用廣泛，例如民航飛機的飛行系統與推進系統，汽車的巡航定速系統等。發展出優良的控制理論是提升工業自動化的前提之一。工程師會利用電子電路、數位訊號處理器、微控制器以及可程式化邏輯控制器來實現嵌入式系統。隨著科技的發展，控制系統本身越來越小，功率損耗越來越低，但是功能卻反而不斷提升。

控制工程師在設計控制系統（control system）時經常會使用到回饋這個概念。例如，具有巡航定速功能的汽車會持續監視汽車的速度，並報告給控制系統，然後控制系統根據當前汽車的速度調整內燃機的輸出功率。假若控制系統能夠定時得到回饋，則可按照控制理論做出適當的反應。

### 電子工程

電子工程的範疇涵蓋了對由電阻器、電容器、電感器、二極體、電晶體等電子元件構成的電子電路的設計與測試。基本的類比電路、數位電路是構成任何現代電子資訊系統的基本元素。

在第二次世界大戰之前，電子工程的研究範圍只是侷限於各種通信技術、雷達、商用無線電以及早期的電視機技術。戰後，隨著消費性電子元件開始被發展，這一領域也快速擴充到現代電視機、無線電系統、電腦和微處理器。在 1950 年代下半葉，「電子工程」這個術語逐漸取代了「無線電工程」。

在 1959 年積體電路被發明之前，電子電路還是由分立的電子元件經過手工安裝組成。這些分立電子電路的缺點是占用空間大、電能效率低、速度有限，但仍時常在某些特別應用區域使用。積體電路可以把大量的微電子元件（主要是微電晶體）整合到約同硬幣尺寸的一個小晶片上。這也為製造當今到處可見的高功能電腦和其它電子元件提供了可能性。

### 微電子學

微電子學主要研究積體電路中極小尺寸電路的設計和微加工（microfabrication）。這極小尺寸電路也可以單獨製為普通電子元件。最常見的微電子元件包括半導體電晶體、電阻器、電容器和電感器，它們可以被加工到微觀尺寸。納電子學更加先進，研究範圍亦轉向特徵尺寸達到奈米級別的元件。現代的電子元件已達奈米級別，100 奈米製程技術在 2002 年亦已成為業界標準。

微電子元件的製造製程流程需要對矽（在高頻率場合則需要用到砷化鎵、磷化銦（indium phosphide）等化合物半導體）晶圓進行物理、化學加工，以使之可以提供理想的電荷傳輸與電流控制（在微電子學中，並非越高越好）。在研究這些製造製程時，需要許多化學、材料科學方面的知識，而且必須考慮電子在低特徵尺寸下的量子力學效應。基礎的半導體元件包括二極體、雙極性電晶體、金屬氧化物半導體場效電晶體和金屬半導體場效電晶體等。

### 訊號處理

訊號處理是指對訊號的分析和控制。訊號可以分為類比訊號和數位訊號，其中前者隨真實資訊連續變化，後者則基於代表真實資訊的一系列離散數值變化。類比訊號處理一般會涉及音響裝置放大或過濾音訊訊號，電信裝置調變和解調電信訊號。類比訊號和數位訊號能夠通過類比數位轉換器、數位類比轉換器相互轉化。作為現代多媒體技術的基礎，數位訊號處理則常常牽涉取樣訊號的資料壓縮、檢錯（error detection）、糾錯（error correction），尤其是線性時不變系統理論、傅立葉變換等基本理論。

訊號處理涉及到很多數學理論與大量數學運算。隨著通信、控制、廣播電視、電力電子學、生物醫藥工程等方面的發展，訊號處理的應用範圍不斷擴大。雖然隨著數位訊號處理的迅速發展，很多類比系統已被數字系統替代，但類比訊號處理仍然是許多控制系統中必不可少的部分。

數位訊號處理能夠在現場可程式化邏輯閘陣列、特殊應用積體電路、微處理器上獲得實現。在許多現代電子系統與電子產品內部都可以找到專具數位訊號處理器功能的積體電路，如標準解析度電視、高解析度電視、無線電與行動通信元件、高保真音響裝置、杜比聲音降躁演算法、全球行動通訊系統行動電話、數位音訊播放器、攝影機與數位照相機、汽車控制系統、靜音耳機、數位頻譜分析儀（spectrum analyzer）、智慧型火箭導航、雷達、各種各樣的圖像處理、視訊處理（video processing）、語音處理等等。

### 通信工程

遠端通信主要關注資訊於同軸電纜、光導纖維、自由空間等等通道的傳送。為了實現資訊在自由空間中的傳送，就需要將資訊編碼注入頻率適合傳送的載波裏，這過程稱為調變。常用的類比調變技術包括振幅調變和頻率調變兩種。調變技術的選擇會影響系統的成本和效能，通常工程師需要從多方面衡量這兩個因素的利弊，以獲得最好的效果。

一旦確定了通信系統的資訊傳播特性，通信工程師就就可以開始設計傳送機（Transmitter）和接收機。有時，這兩種裝置可以組成一個雙向通信系統，同時實現傳送和接收的功能，此種系統則稱為收發器（Transceiver）。在設計傳送機時，需要重點考慮的是功率損耗，而這項參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可攜式裝置，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，使得電話也成為了行動網際網路裝置。這些方便、快捷的服務，都基於通用分組無線服務、EV-DO 或 3G 這類基礎通信技術。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（類比訊號處理、數位訊號處理），因此許多現代儀表採用電傳感的原理工作。為了製造這些儀表裝置，設計人員需要具備良好的物理學基礎知識，特別是電磁學、材料科學、半導體物理學等子學科。例如，雷達測速計利用觀察者感覺到行進中物體的頻率與其波的本身頻率的差別（都卜勒效應）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取得資訊，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，測量技術順向著小型化、快速化發展，其精度也不斷提高。

### 電腦工程

電腦工程主要是指電腦和電腦系統的設計。它包含了電腦硬體、可攜式電子產品、超級電腦等的設計。電腦工程還涉及了硬體系統的軟體。然而，電腦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。隨著電腦工程的發展，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，超大型積體電路的設計、仿真、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，而在電腦輔助下完成布線、布局、版圖方面的繁瑣任務。主流的硬體描述語言（如 Verilog 和 VHDL）的功能使設計人員能夠以類似電腦編程的方式來完成複雜硬體電路的設計。電腦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電腦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系統的交叉領域。這種合併而成的系統稱為機電系統（electromechanical system），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，微小機電元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。在汽車裏已裝配了高功能微機電系統，它能夠感測撞擊，從讀取的數據做決定，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。

## 參考文獻