Inżynieria elektryczna

„Inżynieria elektryczna i komputerowa” przekierowuje tutaj. Aby zapoznać się z treściami dotyczącymi inżynierii komputerowej, zobacz Inżynieria komputerowa .

Inżynieria elektryczna
Umspannwerk-Pulverdingen 380kV-Trennschalter.jpg
Zawód
Nazwy Inżynier elektryczny!
Sektory działalności
 Elektronika , obwody elektryczne , elektromagnetyka , energetyka , maszyny elektryczne , telekomunikacja , systemy sterowania , przetwarzanie sygnałów , optyka , fotonika , stacje elektroenergetyczne
Opis
Kompetencje Wiedza techniczna, umiejętności zarządzania, projektowanie (patrz także Słowniczek inżynierii elektrycznej i elektronicznej )

Dziedziny zatrudnienia
Technologia, nauka, eksploracja , wojsko, przemysł

Elektrotechnika to dyscyplina inżynierska zajmująca się badaniem, projektowaniem i zastosowaniem sprzętu, urządzeń i systemów wykorzystujących elektryczność , elektronikę i elektromagnetyzm . Pojawił się jako możliwy do zidentyfikowania zawód w drugiej połowie XIX wieku po komercjalizacji telegrafu elektrycznego , telefonu oraz wytwarzania, dystrybucji i użytkowania energii elektrycznej .

Elektrotechnika jest obecnie podzielona na wiele różnych dziedzin, w tym inżynierię komputerową , inżynierię systemów , energetykę , telekomunikację , inżynierię częstotliwości radiowych , przetwarzanie sygnałów , oprzyrządowanie , ogniwa fotowoltaiczne , elektronikę oraz optykę i fotonikę . Wiele z tych dyscyplin pokrywa się z innymi gałęziami inżynierii, obejmując ogromną liczbę specjalizacji, w tym inżynierię sprzętu, energoelektronikę , elektromagnetyzm i fale, inżynierię mikrofalową , nanotechnologię , elektrochemię , energię odnawialną, mechatronikę/sterowanie i materiałoznawstwo elektryczne.

Inżynierowie elektrycy zazwyczaj posiadają dyplom z inżynierii elektrycznej lub elektronicznej. Praktykujący inżynierowie mogą posiadać certyfikaty zawodowe i być członkami organizacji zawodowej lub międzynarodowej organizacji normalizacyjnej. Należą do nich Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC), Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) oraz Instytut Inżynierii i Technologii (IET) (dawniej IEE) .

Inżynierowie elektrycy pracują w bardzo wielu branżach, a wymagane umiejętności są również zmienne. Obejmują one zarówno teorię obwodów, jak i umiejętności zarządcze kierownika projektu . Narzędzia i sprzęt, których może potrzebować pojedynczy inżynier, są podobnie zróżnicowane, od prostego woltomierza po zaawansowane oprogramowanie do projektowania i produkcji.

Historia

Osobny artykuł: Historia elektrotechniki

Elektryczność była przedmiotem zainteresowania naukowego co najmniej od początku XVII wieku. William Gilbert był wybitnym wczesnym naukowcem zajmującym się elektrycznością i jako pierwszy dokonał wyraźnego rozróżnienia między magnetyzmem a elektrycznością statyczną . Przypisuje mu się ustanowienie terminu „elektryczność”. Zaprojektował także versorium : urządzenie wykrywające obecność przedmiotów naładowanych statycznie. W 1762 roku szwedzki profesor Johan Wilcke wynalazł urządzenie nazwane później elektroforem , które wytwarzało statyczny ładunek elektryczny. Do 1800 roku Alessandro Volta opracował stos galwaniczny , prekursora baterii elektrycznej.

19 wiek

Odkrycia Michaela Faradaya stworzyły podwaliny technologii silników elektrycznych.

W XIX wieku badania nad tym tematem zaczęły się nasilać. Godne uwagi osiągnięcia tego stulecia obejmują prace Hansa Christiana Ørsteda , który odkrył w 1820 r., że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, które odchyla igłę kompasu, prace Williama Sturgeona , który w 1825 r. wynalazł elektromagnes , Josepha Henry'ego i Edwarda Davy'ego , którzy wynaleźli przekaźnik elektryczny w 1835 roku, Georga Ohma , który w 1827 roku określił ilościowo zależność między prądem elektrycznym a różnicą potencjałów w przewodniku , Michaela Faradaya (odkrywca indukcji elektromagnetycznej w 1831 roku) oraz Jamesa Clerka Maxwella , który w 1873 roku opublikował ujednoliconą teorię elektryczności i magnetyzmu w swoim traktacie Elektryczność i magnetyzm .

W 1782 roku Georges-Louis Le Sage opracował i zaprezentował w Berlinie prawdopodobnie pierwszą na świecie formę telegrafii elektrycznej , wykorzystującą 24 różne przewody, po jednym dla każdej litery alfabetu. Ten telegraf łączył dwa pokoje. Był to telegraf elektrostatyczny, który przenosił płatki złota przez przewodnictwo elektryczne.

W 1795 roku Francisco Salva Campillo zaproponował elektrostatyczny system telegraficzny. W latach 1803-1804 pracował nad telegrafią elektryczną, aw 1804 przedstawił swój raport w Królewskiej Akademii Nauk Przyrodniczych i Sztuki w Barcelonie. System telegrafu elektrolitycznego Salva był bardzo innowacyjny, chociaż duży wpływ na niego wywarły dwa nowe odkrycia dokonane w Europie w 1800 roku - bateria elektryczna Alessandro Volty do generowania prądu elektrycznego oraz elektroliza wody dokonana przez Williama Nicholsona i Anthony'ego Carlyle'a . Telegrafię elektryczną można uznać za pierwszy przykład elektrotechniki. Elektrotechnika stała się zawodem pod koniec XIX wieku. Praktycy stworzyli globalną telegrafu elektrycznego , aw Wielkiej Brytanii i USA powstały pierwsze profesjonalne instytucje elektrotechniczne w celu wspierania nowej dyscypliny. Francis Ronalds stworzył elektryczny system telegraficzny w 1816 roku i udokumentował swoją wizję tego, jak świat może zostać przekształcony przez elektryczność. Ponad 50 lat później wstąpił do nowego Towarzystwa Inżynierów Telegrafów (które wkrótce zostało przemianowane na Instytucję Inżynierów Elektryków ), gdzie był uważany przez innych członków za pierwszego z ich kohorty. Pod koniec XIX wieku świat został na zawsze zmieniony dzięki szybkiej komunikacji, którą umożliwił rozwój inżynierii linii naziemnych, kabli podmorskich , a od około 1890 roku telegrafii bezprzewodowej .

Praktyczne zastosowania i postępy w takich dziedzinach stworzyły rosnące zapotrzebowanie na znormalizowane jednostki miary . Doprowadziły one do międzynarodowej standaryzacji jednostek wolt , amper , kulomb , om , farad i henr . Osiągnięto to na międzynarodowej konferencji w Chicago w 1893 r. Publikacja tych norm stworzyła podstawę przyszłego postępu w normalizacji w różnych gałęziach przemysłu, aw wielu krajach definicje zostały natychmiast uwzględnione w odpowiednich przepisach.

W tych latach badanie elektryczności było w dużej mierze uważane za poddziedzinę fizyki , ponieważ wczesna technologia elektryczna była uważana za z natury elektromechaniczną . Technische Universität Darmstadt założył pierwszy na świecie wydział elektrotechniki w 1882 r. I wprowadził kurs pierwszego stopnia elektrotechniki w 1883 r. Pierwszy program studiów elektrotechnicznych w Stanach Zjednoczonych został uruchomiony w Massachusetts Institute of Technology (MIT) na wydziale fizyki pod kierunkiem profesora Charlesa Crossa, chociaż to Cornell University wydał pierwszych na świecie absolwentów elektrotechniki w 1885 r. Pierwszy kurs elektrotechniki odbył się w 1883 r. w Cornell's Sibley College of Mechanical Engineering and Mechanic Arts .

Około 1885 roku prezydent Cornell, Andrew Dickson White, założył pierwszy Wydział Elektrotechniki w Stanach Zjednoczonych. W tym samym roku University College London założył pierwszą katedrę elektrotechniki w Wielkiej Brytanii. Profesor Mendell P. Weinbach z University of Missouri założył wydział elektrotechniki w 1886 roku. Następnie uniwersytety i instytuty techniczne stopniowo zaczęły oferować swoim studentom na całym świecie programy inżynierii elektrycznej.

W ciągu tych dziesięcioleci wykorzystanie elektrotechniki dramatycznie wzrosło. W 1882 roku Thomas Edison włączył pierwszą na świecie sieć elektryczną na dużą skalę, która dostarczała prąd stały o napięciu 110 woltów (DC) 59 klientom na wyspie Manhattan w Nowym Jorku. W 1884 roku Sir Charles Parsons wynalazł turbinę parową pozwalającą na wydajniejsze wytwarzanie energii elektrycznej. Prąd przemienny , z jego zdolnością do wydajniejszego przesyłania energii na duże odległości za pomocą transformatorów , rozwinął się szybko w latach 80 . Dixon Gibbs i William Stanley, Jr. Praktyczne projekty silników prądu przemiennego , w tym silniki indukcyjne, zostały niezależnie wynalezione przez Galileo Ferrarisa i Nikolę Teslę , a następnie rozwinięte w praktyczną formę trójfazową przez Michaiła Dolivo-Dobrovolsky'ego i Charlesa Eugene'a Lancelota Browna . Charles Steinmetz i Oliver Heaviside przyczynili się do powstania teoretycznych podstaw inżynierii prądu przemiennego. Rozpowszechnienie się korzystania z prądu przemiennego wywołało w Stanach Zjednoczonych tak zwaną wojnę prądów między systemem prądu przemiennego wspieranego przez George'a Westinghouse'a a systemem zasilania prądem stałym wspieranym przez Thomasa Edisona , przy czym prąd przemienny został przyjęty jako ogólny standard.

Początek 20 wieku

Guglielmo Marconi , znany ze swoich pionierskich prac nad transmisją radiową na duże odległości

Podczas rozwoju radia wielu naukowców i wynalazców przyczyniło się do rozwoju technologii radiowej i elektroniki. Matematyczna praca Jamesa Clerka Maxwella z lat pięćdziesiątych XIX wieku wykazała związek między różnymi formami promieniowania elektromagnetycznego , w tym możliwość powstania niewidzialnych fal powietrznych (później zwanych „falami radiowymi”). W swoich klasycznych eksperymentach fizycznych z 1888 roku Heinrich Hertz udowodnił teorię Maxwella, transmitując fale radiowe za pomocą nadajnika iskiernikowego i wykrywając je za pomocą prostych urządzeń elektrycznych. Inni fizycy eksperymentowali z tymi nowymi falami iw trakcie opracowywali urządzenia do ich przesyłania i wykrywania. W 1895 roku Guglielmo Marconi rozpoczął prace nad sposobem dostosowania znanych metod nadawania i wykrywania tych „fal hercowskich” do specjalnie zbudowanego komercyjnego bezprzewodowego systemu telegraficznego. Na początku wysyłał sygnały bezprzewodowe na odległość półtora mili. W grudniu 1901 roku wysłał fale bezprzewodowe, na które nie miało wpływu krzywizna Ziemi. Marconi przesłał później sygnały bezprzewodowe przez Atlantyk między Poldhu w Kornwalii i St. John's w Nowej Fundlandii na odległość 2100 mil (3400 km).

  na falach milimetrowych została po raz pierwszy zbadana przez Jagadisha Chandrę Bose w latach 1894–1896, kiedy w swoich eksperymentach osiągnął niezwykle wysoką częstotliwość do 60 GHz . Wprowadził również zastosowanie złączy półprzewodnikowych do wykrywania fal radiowych, kiedy w 1901 roku opatentował detektor radiokrystaliczny .

W 1897 roku Karl Ferdinand Braun wprowadził kineskop jako część oscyloskopu , kluczową technologię umożliwiającą rozwój telewizji elektronicznej . John Fleming wynalazł pierwszą lampę radiową, diodę , w 1904 roku. Dwa lata później Robert von Lieben i Lee De Forest niezależnie opracowali lampę wzmacniającą, zwaną triodą .

W 1920 roku Albert Hull opracował magnetron , który ostatecznie doprowadził do opracowania kuchenki mikrofalowej w 1946 roku przez Percy'ego Spencera . W 1934 roku armia brytyjska zaczęła robić postępy w kierunku radaru (który również wykorzystuje magnetron) pod kierunkiem dr Wimperisa, czego kulminacją było uruchomienie pierwszej stacji radarowej w Bawdsey w sierpniu 1936 roku.

W 1941 roku Konrad Zuse zaprezentował Z3 , pierwszy na świecie w pełni funkcjonalny i programowalny komputer wykorzystujący części elektromechaniczne. W 1943 roku Tommy Flowers zaprojektował i zbudował Colossus , pierwszy na świecie w pełni funkcjonalny, elektroniczny, cyfrowy i programowalny komputer. W 1946 roku ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Johna Prespera Eckerta i Johna Mauchly'ego , rozpoczynając erę komputerów. Wydajność arytmetyczna tych maszyn pozwoliła inżynierom opracować zupełnie nowe technologie i osiągnąć nowe cele.

W 1948 roku Claude Shannon publikuje „Mathematical Theory of Communication”, która matematycznie opisuje przepływ informacji z niepewnością ( szum elektryczny ).

Elektronika półprzewodnikowa

Zobacz też: Historia inżynierii elektronicznej , Historia tranzystora , Wynalazek układu scalonego , MOSFET i Elektronika półprzewodnikowa
Replika pierwszego działającego tranzystora , tranzystora punktowego
Tranzystor polowy typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET), podstawowy element budulcowy współczesnej elektroniki

Pierwszym działającym tranzystorem był tranzystor punktowy, wynaleziony przez Johna Bardeena i Waltera Housera Brattaina podczas pracy pod kierunkiem Williama Shockleya w Bell Telephone Laboratories (BTL) w 1947 r. Następnie wynaleźli bipolarny tranzystor złączowy w 1948 r. Podczas gdy wczesne tranzystory złączowe były stosunkowo nieporęczne urządzenia, które były trudne do wyprodukowania na skalę masową , otworzyły drzwi dla bardziej kompaktowych urządzeń.

Pierwszymi układami scalonymi były hybrydowy układ scalony wynaleziony przez Jacka Kilby'ego w Texas Instruments w 1958 roku oraz monolityczny układ scalony wynaleziony przez Roberta Noyce'a w Fairchild Semiconductor w 1959 roku.

MOSFET (tranzystor polowy z efektem metal-tlenek-półprzewodnik lub tranzystor MOS) został wynaleziony przez Mohameda Atallę i Dawona Kahnga w BTL w 1959 roku. Był to pierwszy naprawdę kompaktowy tranzystor, który można było zminiaturyzować i produkować masowo dla szerokiego zakresu używa. Zrewolucjonizował przemysł elektroniczny , stając się najczęściej używanym urządzeniem elektronicznym na świecie.

MOSFET umożliwił zbudowanie układów scalonych o dużej gęstości . Najwcześniejszy eksperymentalny układ scalony MOS, który został wyprodukowany, został zbudowany przez Freda Heimana i Stevena Hofsteina w RCA Laboratories w 1962 r. Technologia MOS umożliwiła prawo Moore'a , podwojenie liczby tranzystorów w układzie scalonym co dwa lata, przewidziane przez Gordona Moore'a w 1965 r . Krzem- Technologia Gate MOS została opracowana przez Federico Faggina w Fairchild w 1968 roku. Od tego czasu MOSFET jest podstawowym budulcem nowoczesnej elektroniki. Masowa produkcja krzemowych tranzystorów MOSFET i układów scalonych MOS, wraz z ciągłą MOSFET-ów w tempie wykładniczym (zgodnie z prawem Moore'a ), doprowadziła od tego czasu do rewolucyjnych zmian w technologii, gospodarce, kulturze i myśleniu.

Program Apollo , którego kulminacją było lądowanie astronautów na Księżycu wraz z Apollo 11 w 1969 r., był możliwy dzięki przyjęciu przez NASA postępów w technologii półprzewodnikowej , w tym tranzystorów MOSFET w Międzyplanetarnej Platformie Monitorującej (IMP) i krzemowych układów scalonych w komputerze nawigacyjnym Apollo (AGC).

Rozwój technologii układów scalonych MOS w latach sześćdziesiątych XX wieku doprowadził do wynalezienia mikroprocesora na początku lat siedemdziesiątych. Pierwszym jednoukładowym mikroprocesorem był Intel 4004 , wypuszczony w 1971 roku. Intel 4004 został zaprojektowany i zrealizowany przez Federico Faggina w firmie Intel z jego technologią MOS z bramką krzemową, wraz z Marcianem Hoffem i Stanleyem Mazorem oraz Masatoshi Shima z firmy Intel. Mikroprocesor doprowadził do rozwoju mikrokomputerów i komputerów osobistych oraz rewolucji mikrokomputerowej .

Podpola

Jedną z właściwości elektryczności jest to, że jest bardzo przydatna do przesyłania energii, a także do przesyłania informacji. Były to również pierwsze obszary, w których rozwinęła się elektrotechnika. Obecnie elektrotechnika ma wiele subdyscyplin, z których najczęstsze wymieniono poniżej. Chociaż są inżynierowie elektrycy, którzy koncentrują się wyłącznie na jednej z tych subdyscyplin, wielu zajmuje się ich kombinacją. Czasami niektóre dziedziny, takie jak inżynieria elektroniczna i inżynieria komputerowa , są uważane za dyscypliny same w sobie.

Moc i energia

Główne artykuły: Energetyka i Energetyka
Wierzchołek słupa energetycznego

Inżynieria energetyczna zajmuje się wytwarzaniem , przesyłaniem i dystrybucją energii elektrycznej, a także projektowaniem szeregu powiązanych urządzeń. Obejmują one transformatory , generatory elektryczne , silniki elektryczne , inżynierię wysokiego napięcia i energoelektronikę . W wielu regionach świata rządy utrzymują sieć elektryczną zwaną siecią energetyczną , która łączy różne generatory z użytkownikami ich energii. Użytkownicy kupują energię elektryczną z sieci, unikając kosztownych działań związanych z koniecznością generowania jej we własnym zakresie. Energetycy mogą pracować nad projektowaniem i konserwacją sieci elektroenergetycznej, a także podłączonych do niej systemów elektroenergetycznych. Takie systemy nazywane są w sieci i mogą dostarczać do sieci dodatkową moc, pobierać energię z sieci lub robić jedno i drugie. Energetycy mogą również pracować w systemach, które nie są podłączone do sieci, zwanych systemami zasilania off-grid , które w niektórych przypadkach są lepsze niż systemy on-grid. Przyszłość obejmuje systemy zasilania sterowane satelitarnie, ze sprzężeniem zwrotnym w czasie rzeczywistym, aby zapobiegać przepięciom i awariom. [ potrzebne źródło ]

Telekomunikacja

Główny artykuł: Inżynieria telekomunikacyjna
Anteny satelitarne są kluczowym elementem w analizie informacji satelitarnych.

Inżynieria telekomunikacyjna koncentruje się na przesyłaniu informacji kanałem komunikacyjnym, takim jak kabel koncentryczny , światłowód lub wolna przestrzeń . Transmisje w wolnej przestrzeni wymagają zakodowania informacji w sygnale nośnym w celu przesunięcia informacji na częstotliwość nośną odpowiednią do transmisji; jest to znane jako modulacja . Popularne techniki modulacji analogowej obejmują modulację amplitudy i modulację częstotliwości . Wybór modulacji wpływa na koszt i wydajność systemu, a te dwa czynniki muszą być starannie wyważone przez inżyniera.

Po określeniu charakterystyk transmisji systemu inżynierowie telekomunikacji projektują nadajniki i odbiorniki potrzebne do takich systemów. Te dwa elementy są czasami łączone w celu utworzenia dwukierunkowego urządzenia komunikacyjnego znanego jako urządzenie nadawczo-odbiorcze . Kluczową kwestią przy projektowaniu nadajników jest pobór mocy , ponieważ jest on ściśle powiązany z siłą sygnału . Zazwyczaj, jeśli moc nadawanego sygnału jest niewystarczająca, gdy sygnał dotrze do anteny odbiornika, informacje zawarte w sygnale zostaną zniekształcone przez szum , w szczególności statyczny.

Inżynieria sterowania

Główne artykuły: Inżynieria sterowania i Teoria sterowania
Systemy sterowania odgrywają kluczową rolę w lotach kosmicznych .

Inżynieria sterowania koncentruje się na modelowaniu różnorodnych systemów dynamicznych i projektowaniu sterowników , które spowodują zachowanie tych systemów w pożądany sposób. Aby wdrożyć takie sterowniki, inżynierowie elektronicy mogą wykorzystywać obwody elektroniczne , cyfrowe procesory sygnałowe , mikrokontrolery i programowalne sterowniki logiczne (PLC). Inżynieria sterowania ma szeroki zakres zastosowań, od systemów lotu i napędu komercyjnych samolotów pasażerskich po tempomat obecny w wielu nowoczesnych samochodach . Odgrywa również ważną rolę w automatyce przemysłowej .

Inżynierowie automatycy często wykorzystują informacje zwrotne podczas projektowania systemów sterowania . Na przykład w samochodzie z tempomatem prędkość pojazdu jest stale monitorowana i przekazywana z powrotem do systemu, który odpowiednio dostosowuje moc wyjściową silnika . Tam, gdzie występuje regularne sprzężenie zwrotne, można zastosować teorię sterowania do określenia, w jaki sposób system reaguje na takie sprzężenie zwrotne.

Inżynierowie zajmujący się automatyką pracują również w robotyce , projektując autonomiczne systemy przy użyciu algorytmów sterowania, które interpretują sprzężenie zwrotne sensoryczne w celu sterowania siłownikami poruszającymi robotami, takimi jak pojazdy autonomiczne , autonomiczne drony i inne używane w różnych gałęziach przemysłu.

Elektronika

Główny artykuł: Inżynieria elektroniczna
Części elektroniczne

Inżynieria elektroniczna obejmuje projektowanie i testowanie obwodów elektronicznych , które wykorzystują właściwości komponentów , takich jak rezystory , kondensatory , cewki indukcyjne , diody i tranzystory w celu osiągnięcia określonej funkcjonalności. Obwód strojony , który pozwala użytkownikowi radia odfiltrować wszystkie stacje poza pojedynczą, jest tylko jednym z przykładów takiego obwodu. Innym przykładem do badań jest pneumatyczny kondycjoner sygnału.

Przed drugą wojną światową temat ten był powszechnie znany jako inżynieria radiowa i zasadniczo ograniczał się do aspektów komunikacji i radaru , radia komercyjnego i wczesnej telewizji . Później, w latach powojennych, wraz z rozwojem urządzeń konsumenckich, dziedzina ta rozrosła się o nowoczesną telewizję, systemy audio, komputery i mikroprocesory . Od połowy do późnych lat pięćdziesiątych termin inżynieria radiowa stopniowo ustąpił miejsca nazwie inżynieria elektroniczna .

Przed wynalezieniem układu scalonego w 1959 roku obwody elektroniczne były zbudowane z dyskretnych elementów, którymi mógł manipulować człowiek. Te dyskretne obwody zajmowały dużo miejsca i mocy oraz miały ograniczoną prędkość, chociaż nadal są powszechne w niektórych zastosowaniach. Z kolei układy scalone upakowały dużą liczbę — często miliony — drobnych elementów elektrycznych, głównie tranzystorów , w mały chip wielkości monety . Pozwoliło to na potężne komputery i inne urządzenia elektroniczne, które widzimy dzisiaj.

Mikroelektronika i nanoelektronika

Główne artykuły: Mikroelektronika , Nanoelektronika i Projektowanie chipów
mikroprocesor

mikroelektroniki zajmuje się projektowaniem i mikrowytwarzaniem bardzo małych elementów obwodów elektronicznych do użytku w układzie scalonym lub czasami do samodzielnego użytku jako ogólny element elektroniczny. Najbardziej powszechnymi komponentami mikroelektronicznymi są tranzystory półprzewodnikowe , chociaż wszystkie główne komponenty elektroniczne ( rezystory , kondensatory itp.) można tworzyć na poziomie mikroskopowym.

Nanoelektronika to dalsze skalowanie urządzeń do poziomu nanometrów . Nowoczesne urządzenia są już w reżimie nanometrów, a przetwarzanie poniżej 100 nm jest standardem od około 2002 roku.

Komponenty mikroelektroniczne są tworzone przez chemiczne wytwarzanie płytek półprzewodnikowych, takich jak krzem (przy wyższych częstotliwościach, złożone półprzewodniki, takie jak arsenek galu i fosforek indu), aby uzyskać pożądany transport ładunku elektronicznego i kontrolę prądu. Dziedzina mikroelektroniki obejmuje znaczną ilość chemii i materiałoznawstwa i wymaga od inżyniera elektronika pracującego w tej dziedzinie bardzo dobrej praktycznej wiedzy na temat efektów mechaniki kwantowej .

Przetwarzanie sygnałów

Główny artykuł: Przetwarzanie sygnału
Filtr Bayera na matrycy CCD wymaga przetwarzania sygnału w celu uzyskania wartości czerwonej, zielonej i niebieskiej w każdym pikselu.

Przetwarzanie sygnałów zajmuje się analizą i manipulacją sygnałami . Sygnały mogą być albo analogowe , w którym to przypadku sygnał zmienia się w sposób ciągły w zależności od informacji, albo cyfrowe , w którym to przypadku sygnał zmienia się zgodnie z serią dyskretnych wartości reprezentujących informację. W przypadku sygnałów analogowych przetwarzanie sygnału może obejmować wzmacnianie i filtrowanie sygnałów audio dla sprzętu audio lub modulację i demodulację sygnałów dla telekomunikacji. W przypadku sygnałów cyfrowych przetwarzanie sygnału może obejmować kompresję , wykrywanie błędów i korekcję błędów cyfrowo próbkowanych sygnałów.

Przetwarzanie sygnałów jest bardzo zorientowanym matematycznie i intensywnym obszarem, stanowiącym rdzeń cyfrowego przetwarzania sygnałów i szybko rozwija się o nowe zastosowania w każdej dziedzinie elektrotechniki, takiej jak komunikacja, sterowanie, radar, inżynieria dźwięku , inżynieria transmisji , energoelektronika i biomedycyna . inżynierii , ponieważ wiele już istniejących systemów analogowych jest zastępowanych ich cyfrowymi odpowiednikami. Przetwarzanie sygnału analogowego jest nadal ważne w projektowaniu wielu systemów sterowania .

Układy scalone procesorów DSP można znaleźć w wielu typach nowoczesnych urządzeń elektronicznych, takich jak telewizory cyfrowe , radia, sprzęt audio Hi-Fi , telefony komórkowe, odtwarzacze multimedialne , kamery i aparaty cyfrowe, samochodowe systemy sterowania, słuchawki z redukcją szumów , cyfrowe analizatory widma , systemy naprowadzania rakiet, systemy radarowe i systemy telematyczne . W takich produktach DSP może być odpowiedzialne za redukcję szumów , rozpoznawanie lub syntezę mowy , kodowanie lub dekodowanie mediów cyfrowych, bezprzewodową transmisję lub odbiór danych, triangulację pozycji za pomocą GPS oraz inne rodzaje przetwarzania obrazu , przetwarzania wideo , przetwarzania dźwięku i przetwarzania mowy .

Oprzyrządowanie

Główny artykuł: inżynieria oprzyrządowania
Przyrządy pokładowe zapewniają pilotom narzędzia do analitycznego sterowania samolotem.

Inżynieria oprzyrządowania zajmuje się projektowaniem urządzeń do pomiaru wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie , przepływ i temperatura. Projektowanie takich instrumentów wymaga dobrego zrozumienia fizyki , która często wykracza poza teorię elektromagnetyczną . Na przykład przyrządy pokładowe mierzą zmienne, takie jak prędkość wiatru i wysokość, aby umożliwić pilotom analityczne sterowanie samolotem. Podobnie termopary wykorzystują efekt Peltiera-Seebecka do pomiaru różnicy temperatur między dwoma punktami.

Często oprzyrządowanie nie jest używane samodzielnie, ale zamiast tego jako czujniki większych systemów elektrycznych. Na przykład termopara może być użyta do zapewnienia stałej temperatury pieca. Z tego powodu inżynieria oprzyrządowania jest często postrzegana jako odpowiednik sterowania.

Komputery

Główny artykuł: Inżynieria komputerowa
Superkomputery są wykorzystywane w tak różnych dziedzinach, jak biologia obliczeniowa i systemy informacji geograficznej .

Inżynieria komputerowa zajmuje się projektowaniem komputerów i systemów komputerowych . Może to obejmować zaprojektowanie nowego sprzętu . Inżynierowie komputerowi mogą również pracować nad oprogramowaniem systemu. Jednak projektowanie złożonych systemów oprogramowania jest często domeną inżynierii oprogramowania, która jest zwykle uważana za odrębną dyscyplinę. Komputery stacjonarne stanowią niewielki ułamek urządzeń, na których inżynier komputerowy może pracować, ponieważ architektury podobne do komputerów można obecnie znaleźć w wielu urządzeniach wbudowanych , w tym w konsolach do gier wideo i odtwarzaczach DVD . Inżynierowie komputerowi są zaangażowani w wiele aspektów sprzętu i oprogramowania komputerowego. Roboty są jednym z zastosowań inżynierii komputerowej.

Fotonika i optyka

Główne artykuły: Fotonika i optyka

Fotonika i optyka zajmują się wytwarzaniem, transmisją, wzmacnianiem, modulacją, detekcją i analizą promieniowania elektromagnetycznego . Zastosowanie optyki zajmuje się projektowaniem przyrządów optycznych, takich jak soczewki , mikroskopy , teleskopy i inne urządzenia wykorzystujące właściwości promieniowania elektromagnetycznego . Inne znaczące zastosowania optyki obejmują czujniki elektrooptyczne i systemy pomiarowe, lasery , światłowodowe systemy komunikacyjne i systemy dysków optycznych (np. CD i DVD). Fotonika w dużym stopniu opiera się na technologii optycznej, uzupełnionej nowoczesnymi osiągnięciami, takimi jak optoelektronika (głównie obejmująca półprzewodniki ), systemy laserowe, wzmacniacze optyczne i nowe materiały (np. metamateriały ).

Pokrewne dyscypliny

Respirator Bird VIP dla niemowląt

Mechatronika to dyscyplina inżynierska zajmująca się konwergencją systemów elektrycznych i mechanicznych . Takie połączone systemy są znane jako elektromechaniczne i są szeroko stosowane. Przykłady obejmują zautomatyzowane systemy produkcyjne , systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji oraz różne podsystemy samolotów i samochodów . Projektowanie systemów elektronicznych jest przedmiotem w elektrotechnice, który zajmuje się multidyscyplinarnymi zagadnieniami projektowania złożonych systemów elektrycznych i mechanicznych.

Termin mechatronika jest zwykle używany w odniesieniu do systemów makroskopowych , ale futuryści przewidzieli pojawienie się bardzo małych urządzeń elektromechanicznych. Już teraz takie małe urządzenia, znane jako systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), są używane w samochodach do informowania poduszek powietrznych o momencie ich otwarcia, w projektorach cyfrowych do tworzenia ostrzejszych obrazów oraz w drukarkach atramentowych do tworzenia dysz do drukowania w wysokiej rozdzielczości. Oczekuje się, że w przyszłości urządzenia te pomogą w konstruowaniu niewielkich, wszczepialnych urządzeń medycznych i poprawią komunikację optyczną .

W inżynierii lotniczej i robotyce przykładem jest najnowszy napęd elektryczny i napęd jonowy.

Edukacja

Główny artykuł: Kształcenie i szkolenie inżynierów elektryków i elektroników
Oscyloskop

Inżynierowie elektrycy zazwyczaj posiadają stopień naukowy z tytułem magistra elektrotechniki, inżynierii elektronicznej , technologii elektrotechniki lub inżynierii elektrycznej i elektronicznej. Te same podstawowe zasady są nauczane we wszystkich programach, chociaż nacisk może się różnić w zależności od tytułu. Długość studiów dla takiego stopnia wynosi zwykle cztery lub pięć lat, a ukończony stopień może być wyznaczony jako Bachelor of Science in Electrical / Electronics Engineering Technology, Bachelor of Engineering, Bachelor of Science, Bachelor of Technology lub Bachelor of Applied Science , w zależności od uczelni. Licencjat zazwyczaj obejmuje jednostki obejmujące fizykę , matematykę, informatykę , zarządzanie projektami i różne tematy z elektrotechniki . Początkowo takie tematy obejmują większość, jeśli nie wszystkie, subdyscyplin elektrotechniki. W niektórych szkołach uczniowie mogą następnie zdecydować się na podkreślenie jednej lub kilku subdyscyplin pod koniec studiów.

Przykładowy schemat obwodu , który jest przydatny przy projektowaniu obwodów i rozwiązywaniu problemów .

W wielu szkołach inżynieria elektroniczna jest częścią nagrody elektrycznej, czasami wyraźnie, na przykład Bachelor of Engineering (elektryk i elektronika), ale w innych inżynieria elektryczna i elektroniczna są uważane za wystarczająco szerokie i złożone, aby oddzielne stopnie naukowe są oferowane.

Niektórzy inżynierowie elektrycy decydują się na studia podyplomowe, takie jak magister inżynier / magister nauk ścisłych (MEng / MSc), magister inżynierii zarządzania , doktor filozofii (doktorat) w dziedzinie inżynierii, doktorat inżynierii (inż. ) lub stopień inżyniera . Stopnie magisterskie i inżynierskie mogą składać się z badań, zajęć lub połączenia tych dwóch. Doktor filozofii i inżynierii Stopień doktora składa się z istotnego elementu badawczego i często jest postrzegany jako punkt wejścia do środowiska akademickiego . W Wielkiej Brytanii i niektórych innych krajach europejskich tytuł magistra inżyniera jest często uważany za stopień licencjata trwający nieco dłużej niż tytuł licencjata inżyniera, a nie za samodzielny stopień podyplomowy.

Profesjonalna praktyka

Belgijscy inżynierowie elektrycy dokonujący inspekcji wirnika turbiny o mocy 40 000 kilowatów firmy General Electric Company w Nowym Jorku

W większości krajów tytuł licencjata w dziedzinie inżynierii stanowi pierwszy krok w kierunku certyfikacji zawodowej , a sam program studiów jest certyfikowany przez organizację zawodową . Po ukończeniu certyfikowanego programu studiów inżynier musi spełnić szereg wymagań (w tym wymagania dotyczące doświadczenia zawodowego), zanim zostanie certyfikowany. Po uzyskaniu certyfikatu inżynier otrzymuje tytuł Professional Engineer (w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Afryce Południowej), Chartered Engineer lub Incorporated Engineer (w Indiach, Pakistanie, Wielkiej Brytanii, Irlandii i Zimbabwe ), Chartered Professional Engineer (w Australii i Nowa Zelandia) lub inżynier europejski (w dużej części Unii Europejskiej ).

Biuro firmy IEEE znajduje się na 17 piętrze 3 Park Avenue w Nowym Jorku

Zalety licencji różnią się w zależności od lokalizacji. Na przykład w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie „tylko licencjonowany inżynier może pieczętować prace inżynieryjne dla klientów publicznych i prywatnych”. Wymóg ten jest egzekwowany przez ustawodawstwo stanowe i prowincjonalne, takie jak ustawa o inżynierach Quebecu . W innych krajach takie ustawodawstwo nie istnieje. Praktycznie wszystkie jednostki certyfikujące posiadają kodeks etyczny , którego przestrzegania oczekują od wszystkich członków lub ryzykują ich wydaleniem. W ten sposób organizacje te odgrywają ważną rolę w utrzymywaniu standardów etycznych w zawodzie. Nawet w jurysdykcjach, w których certyfikacja ma niewielki lub żaden wpływ prawny na pracę, inżynierowie podlegają prawu umów . W przypadku niepowodzenia pracy inżyniera może on zostać pociągnięty do odpowiedzialności karnej za zaniedbanie , aw skrajnych przypadkach za przestępstwo zaniedbania . Praca inżyniera musi być również zgodna z wieloma innymi zasadami i przepisami, takimi jak przepisy budowlane i przepisy dotyczące prawa ochrony środowiska .

Organizacje zawodowe inżynierów elektryków obejmują Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) oraz Instytut Inżynierii i Technologii (IET). IEEE twierdzi, że produkuje 30% światowej literatury z zakresu elektrotechniki, ma ponad 360 000 członków na całym świecie i organizuje ponad 3000 konferencji rocznie. IET publikuje 21 czasopism, ma ponad 150 000 członków na całym świecie i twierdzi, że jest największym stowarzyszeniem inżynierów zawodowych w Europie. Starzenie się umiejętności technicznych jest poważnym problemem dla inżynierów elektryków. Członkostwo i uczestnictwo w towarzystwach technicznych, regularne przeglądy periodyków w tej dziedzinie oraz nawyk ciągłego uczenia się są zatem niezbędne do utrzymania biegłości. MIET (Członek Instytutu Inżynierii i Technologii) jest uznawany w Europie jako inżynier elektryk i informatyk (technologia).

W Australii, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych inżynierowie elektrycy stanowią około 0,25% siły roboczej.

Narzędzia i praca

Od globalnego systemu pozycjonowania po wytwarzanie energii elektrycznej inżynierowie elektrycy przyczynili się do rozwoju szerokiej gamy technologii. Projektują, opracowują, testują i nadzorują wdrażanie systemów elektrycznych i urządzeń elektronicznych. Na przykład mogą zajmować się projektowaniem systemów telekomunikacyjnych, obsługą elektrowni , oświetleniem i okablowaniem budynków, projektowaniem urządzeń gospodarstwa domowego czy sterowaniem elektrycznym maszyn przemysłowych.

Komunikacja satelitarna jest typowa dla inżynierów elektryków.

Fundamentalne dla tej dyscypliny są nauki fizyczne i matematyczne, ponieważ pomagają one uzyskać zarówno jakościowy , jak i ilościowy opis działania takich systemów. Obecnie większość prac inżynierskich wymaga użycia komputerów , a przy projektowaniu systemów elektrycznych powszechne jest korzystanie z programów do projektowania wspomaganego komputerowo . Niemniej jednak umiejętność szkicowania pomysłów jest nadal nieoceniona dla szybkiego komunikowania się z innymi.

System rąk robota Shadow

Chociaż większość inżynierów elektryków rozumie podstawową teorię obwodów (czyli interakcje elementów, takich jak rezystory , kondensatory , diody , tranzystory i cewki indukcyjne w obwodzie), teorie stosowane przez inżynierów generalnie zależą od wykonywanej przez nich pracy. Na przykład mechanika kwantowa i fizyka ciała stałego mogą być istotne dla inżyniera pracującego nad VLSI (projektowanie układów scalonych), ale są w dużej mierze nieistotne dla inżynierów pracujących z makroskopowymi układami elektrycznymi. Nawet teoria obwodów może nie mieć zastosowania dla osoby projektującej systemy telekomunikacyjne wykorzystujące gotowe komponenty. Być może najważniejsze umiejętności techniczne inżynierów elektryków znajdują odzwierciedlenie w programach uniwersyteckich, które kładą nacisk na silne umiejętności numeryczne , znajomość obsługi komputera oraz umiejętność rozumienia języka technicznego i pojęć związanych z elektrotechniką.

Laser odbijający się od pręta akrylowego , ilustrujący całkowite wewnętrzne odbicie światła w światłowodzie wielomodowym.

Szeroka gama oprzyrządowania jest używana przez inżynierów elektryków. W przypadku prostych obwodów sterujących i alarmów może wystarczyć podstawowy multimetr do pomiaru napięcia , prądu i rezystancji . Tam, gdzie trzeba badać sygnały zmieniające się w czasie, oscyloskop jest również wszechobecnym instrumentem. W inżynierii RF i telekomunikacji wysokich częstotliwości stosuje się analizatory widma i analizatory sieci . W niektórych dyscyplinach bezpieczeństwo może stanowić szczególny problem w przypadku oprzyrządowania. Na przykład projektanci elektroniki medycznej muszą wziąć pod uwagę, że znacznie niższe napięcia niż zwykle mogą być niebezpieczne, gdy elektrody mają bezpośredni kontakt z wewnętrznymi płynami ustrojowymi. Inżynieria przesyłu energii ma również poważne obawy dotyczące bezpieczeństwa ze względu na stosowane wysokie napięcia; chociaż woltomierze mogą w zasadzie być podobne do ich niskonapięciowych odpowiedników, kwestie bezpieczeństwa i kalibracji sprawiają, że są one bardzo różne. Wiele dyscyplin elektrotechniki stosuje testy specyficzne dla swojej dyscypliny. Inżynierowie elektronicy audio używają zestawów testowych audio składających się z generatora sygnału i miernika, głównie do pomiaru poziomu, ale także innych parametrów, takich jak zniekształcenia harmoniczne i szum . Podobnie technologie informacyjne mają swoje własne zestawy testów, często specyficzne dla określonego formatu danych, i to samo dotyczy transmisji telewizyjnych.

Radome w Misawa Air Base Misawa Security Operations Center, Misawa, Japonia

Dla wielu inżynierów prace techniczne stanowią jedynie ułamek ich pracy. Dużo czasu można też poświęcić na takie zadania, jak omawianie propozycji z klientami, przygotowywanie budżetów i ustalanie harmonogramów projektów . Wielu starszych inżynierów zarządza zespołem techników lub innych inżynierów iz tego powodu ważne są umiejętności zarządzania projektami . Większość projektów inżynierskich obejmuje jakąś formę dokumentacji, dlatego bardzo ważne są umiejętności komunikacji pisemnej .

Miejsca pracy inżynierów są tak samo różnorodne, jak rodzaje wykonywanej przez nich pracy. Inżynierów elektryków można spotkać w nieskazitelnym środowisku laboratoryjnym zakładu produkcyjnego , na pokładzie okrętu marynarki wojennej , w biurach firmy konsultingowej lub na terenie kopalni. Podczas swojego życia zawodowego inżynierowie elektrycy mogą nadzorować szeroką gamę osób, w tym naukowców, elektryków , programistów komputerowych i innych inżynierów.

Elektrotechnika ma ścisły związek z naukami fizycznymi. Na przykład fizyk Lord Kelvin odegrał ważną rolę w konstruowaniu pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego . I odwrotnie, inżynier Oliver Heaviside wykonał obszerną pracę nad matematyką transmisji w kablach telegraficznych. Inżynierowie elektrycy są często potrzebni przy dużych projektach naukowych. Na przykład duże akceleratory cząstek, takie jak CERN, potrzebują inżynierów elektryków, którzy zajmą się wieloma aspektami projektu, w tym dystrybucją mocy, oprzyrządowaniem oraz produkcją i instalacją elektromagnesów nadprzewodzących .

Zobacz też

Notatki

Bibliografia

Dalsza lektura


Zasoby biblioteczne dotyczące elektrotechniki

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electrical_engineering&oldid=1141359710 ”