Электротехника — это инженерная дисциплина, связанная с изучением, проектированием и применением оборудования, устройств и систем, использующих электричество , электронику и электромагнетизм . Она возникла как самостоятельная профессия во второй половине XIX века после коммерциализации электрического телеграфа , телефона и производства, распределения и использования электроэнергии .
Электротехника делится на широкий спектр различных областей, включая компьютерную инженерию , системную инженерию , энергетику , телекоммуникации , радиочастотную инженерию , обработку сигналов , приборостроение , фотоэлектрические элементы , электронику , оптику и фотонику . Многие из этих дисциплин пересекаются с другими инженерными ветвями, охватывая огромное количество специализаций, включая аппаратную инженерию, силовую электронику , электромагнетизм и волны, микроволновую инженерию , нанотехнологии , электрохимию , возобновляемые источники энергии, мехатронику/управление и электрическое материаловедение. [a]
Инженеры-электрики обычно имеют степень в области электротехники, электроники или электротехники и электроники. Практикующие инженеры могут иметь профессиональную сертификацию и быть членами профессионального органа или международной организации по стандартизации. К ним относятся Международная электротехническая комиссия (IEC), Национальное общество профессиональных инженеров (NSPE), Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институт инженерии и технологий (IET, ранее IEE).
Инженеры-электрики работают в очень широком спектре отраслей, и требуемые навыки также различны. Они варьируются от теории цепей до управленческих навыков менеджера проекта . Инструменты и оборудование, которые могут понадобиться отдельному инженеру, также различны, от простого вольтметра до сложного программного обеспечения для проектирования и производства.
Электричество стало предметом научного интереса по крайней мере с начала 17 века. Уильям Гилберт был выдающимся ранним ученым-электриком и первым, кто провел четкое различие между магнетизмом и статическим электричеством . Ему приписывают создание термина «электричество». [1] Он также разработал версориум : устройство, которое обнаруживает наличие статически заряженных объектов. В 1762 году шведский профессор Йохан Вильке изобрел устройство, позже названное электрофорусом , которое производило статический электрический заряд. [2] К 1800 году Алессандро Вольта разработал вольтов столб , предшественника электрической батареи.
В 19 веке исследования в этой области начали активизироваться. Известные разработки в этом столетии включают работу Ганса Христиана Эрстеда , который в 1820 году открыл, что электрический ток создает магнитное поле, которое отклоняет стрелку компаса; Уильяма Стерджена , который в 1825 году изобрел электромагнит ; Джозефа Генри и Эдварда Дэви , которые изобрели электрическое реле в 1835 году; Георга Ома , который в 1827 году количественно определил связь между электрическим током и разностью потенциалов в проводнике ; Майкла Фарадея , первооткрывателя электромагнитной индукции в 1831 году; и Джеймса Клерка Максвелла , который в 1873 году опубликовал единую теорию электричества и магнетизма в своем трактате «Электричество и магнетизм» . [3]
В 1782 году Жорж-Луи Ле Саж разработал и представил в Берлине, вероятно, первую в мире форму электрической телеграфии , использовавшую 24 различных провода, по одному на каждую букву алфавита. Этот телеграф соединял две комнаты. Это был электростатический телеграф, который перемещал золотой лист посредством электрической проводимости.
В 1795 году Франсиско Сальва Кампильо предложил систему электростатического телеграфа. Между 1803 и 1804 годами он работал над электрической телеграфией, а в 1804 году представил свой доклад в Королевской академии естественных наук и искусств Барселоны. Электролитная телеграфная система Сальвы была очень инновационной, хотя на нее сильно повлияли и основывались два открытия, сделанные в Европе в 1800 году — электрическая батарея Алессандро Вольты для генерации электрического тока и электролиз воды Уильяма Николсона и Энтони Карлейля. [4] Электрическую телеграфию можно считать первым примером электротехники. [5] Электротехника стала профессией в конце 19 века. Практики создали глобальную сеть электрического телеграфа , и первые профессиональные электротехнические институты были основаны в Великобритании и США для поддержки новой дисциплины. Фрэнсис Рональдс создал систему электрического телеграфа в 1816 году и задокументировал свое видение того, как мир может быть преобразован с помощью электричества. [6] [7] Более 50 лет спустя он вступил в новое Общество инженеров-телеграфистов (вскоре переименованное в Институт инженеров-электриков ), где другие члены считали его первым из своей когорты. [8] К концу 19 века мир навсегда изменился благодаря быстрой связи, которая стала возможной благодаря развитию наземных линий связи, подводных кабелей и, примерно с 1890 года, беспроводного телеграфа .
Практические приложения и достижения в таких областях создали растущую потребность в стандартизированных единицах измерения . Они привели к международной стандартизации единиц вольт , ампер , кулон , ом , фарад и генри . Это было достигнуто на международной конференции в Чикаго в 1893 году . [9] Публикация этих стандартов легла в основу будущих достижений в стандартизации в различных отраслях промышленности, и во многих странах определения были немедленно признаны в соответствующем законодательстве. [10]
В эти годы изучение электричества в значительной степени считалось подразделом физики , поскольку ранняя электротехника считалась электромеханической по своей природе. Технический университет Дармштадта основал первый в мире факультет электротехники в 1882 году и ввел курс первой степени по электротехнике в 1883 году. [11] Первая программа получения степени по электротехнике в Соединенных Штатах была открыта в Массачусетском технологическом институте (MIT) на физическом факультете под руководством профессора Чарльза Кросса, [12] хотя именно Корнеллский университет выпустил первых в мире выпускников по электротехнике в 1885 году . [13] Первый курс по электротехнике был прочитан в 1883 году в Сибли-колледже машиностроения и механических искусств Корнелла . [14]
Примерно в 1885 году президент Корнелла Эндрю Диксон Уайт основал первый факультет электротехники в Соединенных Штатах. [15] В том же году Университетский колледж Лондона основал первую кафедру электротехники в Великобритании. [16] Профессор Менделл П. Вайнбах из Университета Миссури основал факультет электротехники в 1886 году. [17] После этого университеты и технологические институты постепенно начали предлагать программы по электротехнике своим студентам по всему миру.
В течение этих десятилетий использование электротехники резко возросло. В 1882 году Томас Эдисон включил первую в мире крупномасштабную электросеть, которая обеспечивала 110 вольт — постоянный ток (DC) — 59 клиентам на острове Манхэттен в Нью-Йорке. В 1884 году сэр Чарльз Парсонс изобрел паровую турбину, позволившую более эффективно вырабатывать электроэнергию. Переменный ток , с его способностью более эффективно передавать энергию на большие расстояния с помощью трансформаторов , быстро развивался в 1880-х и 1890-х годах с разработками трансформаторов Кароя Циперновского , Отто Блати и Микши Дери (позже названных трансформаторами ZBD), Люсьена Голара , Джона Диксона Гиббса и Уильяма Стэнли-младшего. Практические конструкции двигателей переменного тока, включая асинхронные двигатели, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой и в дальнейшем развиты в практическую трехфазную форму Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном . [18] Чарльз Штейнмец и Оливер Хевисайд внесли свой вклад в теоретическую основу техники переменного тока. [19] [20] Распространение использования переменного тока вызвало в Соединенных Штатах то, что было названо войной токов между системой переменного тока, поддерживаемой Джорджем Вестингаузом , и системой постоянного тока, поддерживаемой Томасом Эдисоном, при этом переменный ток был принят в качестве общего стандарта. [21]
В ходе развития радио многие ученые и изобретатели внесли свой вклад в радиотехнику и электронику. Математическая работа Джеймса Клерка Максвелла в 1850-х годах показала взаимосвязь различных форм электромагнитного излучения , включая возможность невидимых воздушных волн (позже названных «радиоволнами»). В своих классических физических экспериментах 1888 года Генрих Герц доказал теорию Максвелла, передавая радиоволны с помощью передатчика с искровым разрядником и обнаруживая их с помощью простых электрических устройств. Другие физики экспериментировали с этими новыми волнами и в процессе разрабатывали устройства для их передачи и обнаружения. В 1895 году Гульельмо Маркони начал работу над способом адаптации известных методов передачи и обнаружения этих «волн Герца» в специально созданную коммерческую беспроводную телеграфную систему. Вначале он отправлял беспроводные сигналы на расстояние в полторы мили. В декабре 1901 года он отправил беспроводные волны, на которые не влияла кривизна Земли. Позже Маркони передавал беспроводные сигналы через Атлантику между Полдху, Корнуолл , и Сент-Джонсом, Ньюфаундленд , на расстояние 2100 миль (3400 км). [22]
Связь на миллиметровых волнах впервые была исследована Джагадишем Чандрой Бозе в 1894–1896 годах, когда он достиг чрезвычайно высокой частоты до 60 ГГц в своих экспериментах. [23] Он также ввел использование полупроводниковых переходов для обнаружения радиоволн, [24] когда он запатентовал радиокристаллический детектор в 1901 году. [25] [26]
В 1897 году Карл Фердинанд Браун представил электронно-лучевую трубку как часть осциллографа , важнейшую технологию, позволившую создать электронное телевидение . [27] Джон Флеминг изобрел первую радиолампу, диод , в 1904 году. Два года спустя Роберт фон Либен и Ли Де Форест независимо друг от друга разработали усилительную лампу, названную триодом . [28]
В 1920 году Альберт Халл разработал магнетрон , который в конечном итоге привел к созданию микроволновой печи в 1946 году Перси Спенсером . [29] [30] В 1934 году британские военные начали предпринимать шаги в направлении радара (который также использует магнетрон) под руководством доктора Вимпериса, что привело к запуску первой радиолокационной станции в Бодси в августе 1936 года. [31]
В 1941 году Конрад Цузе представил Z3 , первый в мире полностью функциональный и программируемый компьютер, использующий электромеханические детали. В 1943 году Томми Флауэрс спроектировал и построил Colossus , первый в мире полностью функциональный, электронный, цифровой и программируемый компьютер. [32] [33] В 1946 году последовал ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер) Джона Преспера Экерта и Джона Мочли , положив начало вычислительной эре. Арифметические характеристики этих машин позволили инженерам разрабатывать совершенно новые технологии и достигать новых целей. [34]
В 1948 году Клод Шеннон опубликовал «Математическую теорию связи», которая математически описывает передачу информации с неопределенностью ( электрический шум ).
Первым рабочим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном во время работы под руководством Уильяма Шокли в Bell Telephone Laboratories (BTL) в 1947 году. [35] Затем в 1948 году они изобрели биполярный транзистор. [36] Хотя ранние транзисторы с плоским переходом были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить на основе массового производства , [37] они открыли дверь для более компактных устройств. [38]
Первыми интегральными схемами были гибридная интегральная схема, изобретенная Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, и монолитная интегральная схема, изобретенная Робертом Нойсом в Fairchild Semiconductor в 1959 году. [39]
МОП-транзистор ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в BTL в 1959 году. [40] [41] [42] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и производить массово для широкого спектра применений. [37] Он произвел революцию в электронной промышленности , [43] [44] став самым широко используемым электронным устройством в мире. [41] [45] [46]
MOSFET сделал возможным создание интегральных схем высокой плотности . [41] Самый ранний экспериментальный чип MOS IC был изготовлен Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA Laboratories в 1962 году. [47] Технология MOS позволила реализовать закон Мура , удвоение транзисторов на чипе IC каждые два года, предсказанное Гордоном Муром в 1965 году. [48] Технология MOS с кремниевым затвором была разработана Федерико Фаггином в Fairchild в 1968 году. [49] С тех пор MOSFET стал основным строительным блоком современной электроники. [42] [50] [51] Массовое производство кремниевых MOSFET и чипов MOS интегральных схем, наряду с непрерывной миниатюризацией MOSFET в экспоненциальном темпе (как и предсказывал закон Мура ), с тех пор привело к революционным изменениям в технологии, экономике, культуре и мышлении. [52]
Программа «Аполлон» , которая завершилась высадкой астронавтов на Луну с помощью Аполлона-11 в 1969 году, стала возможной благодаря внедрению НАСА достижений в области полупроводниковой электронной технологии , включая МОП-транзисторы в платформе межпланетного мониторинга (IMP) [53] [54] и кремниевые интегральные микросхемы в управляющем компьютере Аполлона (AGC). [55]
Развитие технологии интегральных схем МОП в 1960-х годах привело к изобретению микропроцессора в начале 1970-х годов. [56] [57] Первым однокристальным микропроцессором был Intel 4004 , выпущенный в 1971 году. [56] Intel 4004 был разработан и реализован Федерико Фаггином в Intel с его технологией кремниевых затворов МОП, [56] совместно с Марсианом Хоффом и Стэнли Мазором из Intel и Масатоши Шимой из Busicom. [58] Микропроцессор привел к разработке микрокомпьютеров и персональных компьютеров, а также к микрокомпьютерной революции .
Одним из свойств электричества является то, что оно очень полезно для передачи энергии, а также для передачи информации. Это были также первые области, в которых развивалась электротехника. Сегодня электротехника имеет много поддисциплин, наиболее распространенные из которых перечислены ниже. Хотя есть инженеры-электрики, которые сосредоточены исключительно на одной из этих поддисциплин, многие имеют дело с их комбинацией. Иногда определенные области, такие как электронная инженерия и компьютерная инженерия , считаются дисциплинами сами по себе.
Энергетическая инженерия занимается генерацией , передачей и распределением электроэнергии, а также проектированием ряда связанных устройств. [59] К ним относятся трансформаторы , электрогенераторы , электродвигатели , высоковольтная инженерия и силовая электроника . Во многих регионах мира правительства поддерживают электрическую сеть, называемую энергосистемой , которая соединяет различные генераторы вместе с пользователями их энергии. Пользователи покупают электроэнергию из сети, избегая дорогостоящего занятия по ее генерации самостоятельно. Инженеры-энергетики могут работать над проектированием и обслуживанием энергосистемы, а также энергосистем, которые к ней подключаются. [60] Такие системы называются сетевыми энергосистемами и могут поставлять в сеть дополнительную мощность, получать энергию из сети или делать и то, и другое. Инженеры-энергетики могут также работать над системами, которые не подключаются к сети, называемыми внесетевыми энергосистемами, которые в некоторых случаях предпочтительнее сетевых систем.
Телекоммуникационная техника фокусируется на передаче информации по каналу связи , такому как коаксиальный кабель , оптоволокно или свободное пространство . [61] Передачи по свободному пространству требуют, чтобы информация была закодирована в несущем сигнале , чтобы сместить информацию на несущую частоту, подходящую для передачи; это известно как модуляция . Популярные методы аналоговой модуляции включают амплитудную модуляцию и частотную модуляцию . [62] Выбор модуляции влияет на стоимость и производительность системы, и эти два фактора должны быть тщательно сбалансированы инженером.
После определения характеристик передачи системы инженеры по телекоммуникациям проектируют передатчики и приемники, необходимые для таких систем. Эти два устройства иногда объединяются для формирования двустороннего коммуникационного устройства, известного как приемопередатчик . Ключевым фактором при проектировании передатчиков является их энергопотребление , поскольку оно тесно связано с силой их сигнала . [63] [64] Как правило, если мощность передаваемого сигнала недостаточна, когда сигнал достигает антенны(антенн) приемника, информация, содержащаяся в сигнале, будет искажена шумом , в частности статическим.
Инженерное управление фокусируется на моделировании разнообразных динамических систем и проектировании контроллеров , которые заставят эти системы вести себя желаемым образом. [65] Для реализации таких контроллеров инженеры по управлению электроникой могут использовать электронные схемы , цифровые сигнальные процессоры , микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры (ПЛК). Инженерное управление имеет широкий спектр приложений от систем полета и движения коммерческих авиалайнеров до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях . [66] Оно также играет важную роль в промышленной автоматизации .
Инженеры по управлению часто используют обратную связь при проектировании систем управления . Например, в автомобиле с круиз-контролем скорость транспортного средства постоянно отслеживается и передается обратно в систему, которая соответствующим образом регулирует выходную мощность двигателя . [67] Там, где есть регулярная обратная связь, теория управления может использоваться для определения того, как система реагирует на такую обратную связь.
Инженеры по управлению также работают в области робототехники, проектируя автономные системы, использующие алгоритмы управления, которые интерпретируют сенсорную обратную связь для управления исполнительными механизмами, которые перемещают роботов, таких как автономные транспортные средства , автономные беспилотные летательные аппараты и другие, используемые в различных отраслях промышленности. [68]
Электронная инженерия включает в себя проектирование и тестирование электронных схем , которые используют свойства таких компонентов , как резисторы , конденсаторы , индукторы , диоды и транзисторы , для достижения определенной функциональности. [60] Настроенная схема , которая позволяет пользователю радио отфильтровывать все, кроме одной станции, является лишь одним примером такой схемы. Другим примером для исследования является пневматический преобразователь сигнала.
До Второй мировой войны этот предмет был широко известен как радиотехника и в основном ограничивался аспектами связи и радаров , коммерческого радио и раннего телевидения . [60] Позже, в послевоенные годы, по мере развития потребительских устройств, область расширилась и включила в себя современное телевидение, аудиосистемы, компьютеры и микропроцессоры . В середине-конце 1950-х годов термин радиотехника постепенно уступил место названию электронная инженерия .
До изобретения интегральной схемы в 1959 году [69] электронные схемы были построены из дискретных компонентов, которыми могли манипулировать люди. Эти дискретные схемы потребляли много места и энергии и были ограничены в скорости, хотя они все еще распространены в некоторых приложениях. Напротив, интегральные схемы упаковывали большое количество — часто миллионы — крошечных электрических компонентов, в основном транзисторов , [70] в небольшой чип размером с монету . Это позволило создать мощные компьютеры и другие электронные устройства, которые мы видим сегодня.
Микроэлектронная инженерия занимается проектированием и микропроизводством очень маленьких электронных компонентов для использования в интегральной схеме или иногда для использования их самих в качестве общего электронного компонента. [71] Наиболее распространенными микроэлектронными компонентами являются полупроводниковые транзисторы , хотя все основные электронные компоненты ( резисторы , конденсаторы и т. д.) могут быть созданы на микроскопическом уровне.
Наноэлектроника — это дальнейшее масштабирование устройств до нанометровых уровней. Современные устройства уже находятся в нанометровом режиме, при этом обработка ниже 100 нм стала стандартом примерно с 2002 года. [72]
Микроэлектронные компоненты создаются путем химического изготовления пластин полупроводников, таких как кремний (на более высоких частотах, составные полупроводники, такие как арсенид галлия и фосфид индия), чтобы получить желаемый перенос электронного заряда и контроль тока. Область микроэлектроники включает в себя значительный объем химии и материаловедения и требует от инженера-электронщика, работающего в этой области, очень хороших практических знаний эффектов квантовой механики . [73]
Обработка сигналов занимается анализом и манипулированием сигналами . [74] Сигналы могут быть либо аналоговыми , в этом случае сигнал непрерывно изменяется в соответствии с информацией, либо цифровыми , в этом случае сигнал изменяется в соответствии с серией дискретных значений, представляющих информацию. Для аналоговых сигналов обработка сигналов может включать усиление и фильтрацию аудиосигналов для аудиооборудования или модуляцию и демодуляцию сигналов для телекоммуникаций. Для цифровых сигналов обработка сигналов может включать сжатие , обнаружение ошибок и исправление ошибок цифровых дискретизированных сигналов. [75]
Обработка сигналов — это очень математически ориентированная и интенсивная область, формирующая ядро цифровой обработки сигналов , и она быстро расширяется новыми приложениями в каждой области электротехники, такой как связь, управление, радиолокация, аудиотехника , вещательная техника , силовая электроника и биомедицинская техника , поскольку многие уже существующие аналоговые системы заменяются их цифровыми аналогами. Аналоговая обработка сигналов по-прежнему важна при проектировании многих систем управления .
Микросхемы процессора DSP встречаются во многих типах современных электронных устройств, таких как цифровые телевизоры , [76] радиоприемники, hi-fi аудиооборудование, мобильные телефоны, мультимедийные проигрыватели , видеокамеры и цифровые камеры, автомобильные системы управления, шумоподавляющие наушники, цифровые анализаторы спектра , системы наведения ракет, радиолокационные системы и телематические системы. В таких продуктах DSP может отвечать за шумоподавление , распознавание или синтез речи , кодирование или декодирование цифровых носителей, беспроводную передачу или прием данных, триангуляцию позиций с использованием GPS и другие виды обработки изображений , видеообработки , обработки звука и обработки речи . [77]
Приборостроение занимается разработкой устройств для измерения физических величин, таких как давление , поток и температура. [78] Разработка таких приборов требует хорошего понимания физики , которая часто выходит за рамки электромагнитной теории . Например, летные приборы измеряют такие переменные, как скорость ветра и высота, чтобы позволить пилотам аналитически управлять самолетом. Аналогично, термопары используют эффект Пельтье-Зеебека для измерения разницы температур между двумя точками. [79]
Часто приборы не используются сами по себе, а как датчики более крупных электрических систем. Например, термопара может использоваться для обеспечения постоянной температуры печи. [80] По этой причине приборостроение часто рассматривается как аналог контроля.
Компьютерная инженерия занимается проектированием компьютеров и компьютерных систем . Это может включать проектирование нового оборудования . Компьютерные инженеры также могут работать над программным обеспечением системы. Однако проектирование сложных программных систем часто является областью программной инженерии, которая обычно считается отдельной дисциплиной. [81] Настольные компьютеры представляют собой крошечную часть устройств, с которыми может работать компьютерный инженер, поскольку компьютероподобные архитектуры теперь встречаются в ряде встроенных устройств, включая игровые консоли и DVD-плееры . Компьютерные инженеры участвуют во многих аппаратных и программных аспектах вычислений. [82] Роботы являются одним из приложений компьютерной инженерии.
Фотоника и оптика занимаются генерацией, передачей, усилением, модуляцией, обнаружением и анализом электромагнитного излучения . Применение оптики касается проектирования оптических приборов, таких как линзы , микроскопы , телескопы и другое оборудование, которое использует свойства электромагнитного излучения. Другие известные применения оптики включают электрооптические датчики и измерительные системы, лазеры , волоконно-оптические системы связи и оптические дисковые системы (например, CD и DVD). Фотоника в значительной степени основывается на оптической технологии, дополненной современными разработками, такими как оптоэлектроника (в основном с использованием полупроводников ), лазерные системы, оптические усилители и новые материалы (например, метаматериалы ).
Мехатроника — это инженерная дисциплина, которая занимается конвергенцией электрических и механических систем. Такие комбинированные системы известны как электромеханические системы и имеют широкое распространение. Примерами являются автоматизированные производственные системы , [83] системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха , [84] и различные подсистемы самолетов и автомобилей . [85] Проектирование электронных систем — это предмет в электротехнике, который занимается междисциплинарными вопросами проектирования сложных электрических и механических систем. [86]
Термин мехатроника обычно используется для обозначения макроскопических систем, но футуристы предсказали появление очень маленьких электромеханических устройств. Такие маленькие устройства, известные как микроэлектромеханические системы (МЭМС), уже используются в автомобилях, чтобы сообщать подушкам безопасности, когда их следует раскрыть, [87] в цифровых проекторах для создания более четких изображений и в струйных принтерах для создания сопел для печати с высоким разрешением. В будущем есть надежда, что эти устройства помогут создавать крошечные имплантируемые медицинские устройства и улучшать оптическую связь . [88]
В аэрокосмической технике и робототехнике примером являются новейшие электроракетные и ионные двигатели.
Инженеры-электрики обычно имеют ученую степень со специализацией в области электротехники, электроники , электротехнической технологии [ 89] или электротехники и электронной инженерии. [90] [91] Во всех программах преподаются одни и те же фундаментальные принципы, хотя акцент может варьироваться в зависимости от названия. Продолжительность обучения для получения такой степени обычно составляет четыре или пять лет, а завершенная степень может быть обозначена как бакалавр наук в области электротехники/электронной инженерии, бакалавр инженерии , бакалавр наук, бакалавр технологий или бакалавр прикладных наук в зависимости от университета. Степень бакалавра обычно включает в себя разделы, охватывающие физику , математику, информатику , управление проектами и различные темы в области электротехники . [92] Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, субдисциплин электротехники. В некоторых школах студенты затем могут выбрать одну или несколько субдисциплин к концу своего курса обучения.
Во многих школах электронная инженерия включена в программу обучения по электротехнике, иногда в явном виде, например, в бакалавриате инженерии (электротехника и электроника), но в других электротехническая и электронная инженерия считаются достаточно широкими и сложными дисциплинами, поэтому предлагаются отдельные степени. [93]
Некоторые инженеры-электрики выбирают обучение для получения степени магистра инженерии /магистра наук (MEng/MSc), магистра инженерного менеджмента , доктора философии (PhD) в области инженерии, инженерной докторантуры (Eng.D.) или инженерной степени . Степени магистра и инженера могут состоять либо из исследований, либо из курсовых работ , либо из их смеси. Степени доктора философии и инженерной докторантуры состоят из значительного исследовательского компонента и часто рассматриваются как точка входа в академическую среду . В Соединенном Королевстве и некоторых других европейских странах степень магистра инженерии часто считается степенью бакалавра немного более длительной, чем степень бакалавра инженерии, а не отдельной степенью аспирантуры. [94]
В большинстве стран степень бакалавра в области инженерии представляет собой первый шаг к профессиональной сертификации , а сама программа получения степени сертифицируется профессиональным органом . [95] После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен соответствовать ряду требований (включая требования к опыту работы) перед получением сертификата. После получения сертификата инженеру присваивается звание профессионального инженера (в Соединенных Штатах, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или инкорпорированного инженера (в Индии, Пакистане, Великобритании, Ирландии и Зимбабве ), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Новой Зеландии) или европейского инженера (в большинстве стран Европейского Союза ).
Преимущества лицензирования различаются в зависимости от местоположения. Например, в Соединенных Штатах и Канаде «только лицензированный инженер может опечатывать инженерные работы для государственных и частных клиентов». [96] Это требование обеспечивается законодательством штатов и провинций, таким как Закон об инженерах Квебека. [ 97] В других странах такого законодательства не существует. Практически все сертифицирующие органы поддерживают кодекс этики , которого они ожидают от всех членов, в противном случае они рискуют быть исключенными. [98] Таким образом, эти организации играют важную роль в поддержании этических стандартов для профессии. Даже в юрисдикциях, где сертификация имеет мало или вообще не имеет юридического значения для работы, инженеры подчиняются договорному праву . В случаях, когда работа инженера не выполняется, он или она может быть подвергнут деликту за халатность и, в крайних случаях, обвинению в уголовной халатности . Работа инженера также должна соответствовать многочисленным другим правилам и положениям, таким как строительные нормы и законодательство, касающееся права окружающей среды .
Профессиональные организации, известные для инженеров-электриков, включают Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институт инженерии и технологий (IET). IEEE утверждает, что выпускает 30% мировой литературы по электротехнике, имеет более 360 000 членов по всему миру и ежегодно проводит более 3000 конференций. [99] IET издает 21 журнал, имеет более 150 000 членов по всему миру и претендует на звание крупнейшего профессионального инженерного общества в Европе. [100] [101] Устаревание технических навыков является серьезной проблемой для инженеров-электриков. Членство и участие в технических обществах, регулярные обзоры периодических изданий в этой области и привычка к постоянному обучению, следовательно, необходимы для поддержания квалификации. MIET (член Института инженерии и технологий) признается в Европе как инженер-электрик и компьютерный (технологический) инженер. [102]
В Австралии, Канаде и США инженеры-электрики составляют около 0,25% рабочей силы. [b]
От Глобальной системы позиционирования до выработки электроэнергии , инженеры-электрики внесли вклад в развитие широкого спектра технологий. Они проектируют, разрабатывают, тестируют и контролируют развертывание электрических систем и электронных устройств. Например, они могут работать над проектированием телекоммуникационных систем, эксплуатацией электростанций , освещением и электропроводкой зданий , проектированием бытовых приборов или электрическим управлением промышленного оборудования. [106]
Основополагающими для этой дисциплины являются науки физики и математики, поскольку они помогают получить как качественное , так и количественное описание того, как будут работать такие системы. Сегодня большинство инженерных работ связано с использованием компьютеров , и обычным делом является использование программ автоматизированного проектирования при проектировании электрических систем. Тем не менее, способность делать наброски идей по-прежнему бесценна для быстрого общения с другими.
Хотя большинство инженеров-электриков понимают базовую теорию цепей (то есть взаимодействие таких элементов, как резисторы , конденсаторы , диоды , транзисторы и катушки индуктивности в цепи), теории, используемые инженерами, как правило, зависят от работы, которую они выполняют. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут быть актуальны для инженера, работающего над СБИС (проектированием интегральных схем), но в значительной степени неактуальны для инженеров, работающих с макроскопическими электрическими системами. Даже теория цепей может быть неактуальна для человека, проектирующего телекоммуникационные системы, которые используют готовые компоненты. Возможно, самые важные технические навыки для инженеров-электриков отражены в университетских программах, которые подчеркивают сильные числовые навыки , компьютерную грамотность и способность понимать технический язык и концепции , которые относятся к электротехнике. [107]
Инженеры-электрики используют широкий спектр приборов. Для простых цепей управления и сигнализации может быть достаточно простого мультиметра, измеряющего напряжение , ток и сопротивление . Там, где необходимо изучать изменяющиеся во времени сигналы, осциллограф также является повсеместным прибором. В радиотехнике и высокочастотной телекоммуникации используются анализаторы спектра и сетевые анализаторы . В некоторых дисциплинах безопасность может быть особой проблемой при использовании приборов. Например, разработчики медицинской электроники должны учитывать, что гораздо более низкие напряжения, чем обычно, могут быть опасны, когда электроды напрямую контактируют с внутренними жидкостями организма. [108] Инженерия передачи электроэнергии также имеет большие проблемы с безопасностью из-за используемых высоких напряжений; хотя вольтметры в принципе могут быть похожи на свои низковольтные эквиваленты, проблемы безопасности и калибровки делают их очень разными. [109] Многие дисциплины электротехники используют тесты, специфичные для их дисциплины. Инженеры-электронщики аудио используют наборы для аудиотестирования, состоящие из генератора сигналов и измерителя, в основном для измерения уровня, но также и других параметров, таких как гармонические искажения и шум . Аналогичным образом, информационные технологии имеют свои собственные наборы тестов, часто специфичные для определенного формата данных, и то же самое относится к телевизионному вещанию.
Для многих инженеров техническая работа составляет лишь часть их работы. Много времени также может быть потрачено на такие задачи, как обсуждение предложений с клиентами, подготовка бюджетов и определение графиков проекта . [110] Многие старшие инженеры руководят командой техников или других инженеров, и по этой причине навыки управления проектами важны. Большинство инженерных проектов включают в себя некоторую форму документации, и поэтому сильные навыки письменной коммуникации очень важны.
Рабочие места инженеров столь же разнообразны, как и типы работ, которые они выполняют. Инженеров-электриков можно встретить в чистейшей лабораторной среде завода -изготовителя , на борту военного корабля , в офисах консалтинговой фирмы или на шахте. В течение своей трудовой деятельности инженеры-электрики могут руководить широким кругом людей, включая ученых, электриков , программистов и других инженеров. [111]
Электротехника тесно связана с физическими науками. Например, физик лорд Кельвин сыграл важную роль в проектировании первого трансатлантического телеграфного кабеля . [112] Напротив, инженер Оливер Хевисайд выполнил большую работу по математике передачи по телеграфным кабелям. [113] Инженеры-электрики часто требуются для крупных научных проектов. Например, для больших ускорителей частиц, таких как ЦЕРН, нужны инженеры-электрики для решения многих аспектов проекта, включая распределение электроэнергии, приборостроение, а также производство и установку сверхпроводящих электромагнитов . [ 114] [115]
Используя эти открытия, появилось множество изобретателей или, скорее, «адаптеров», которые взяли эти новые знания, трансформировав их в полезные идеи с коммерческой выгодой; первым из этих «продуктов» было использование электричества для передачи информации между удаленными точками — электрический телеграф.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь практически всеми мыслимыми способами.
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в сверхбольшой интеграции цифровых интегральных схем (VLSI). В 1970-х годах эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Викицитатника
Тексты из Викиресурса
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета