电机工程学


电机工程学 （正體）

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电机工程师所涵盖的领域包括设计复杂的电力系统…
…以至设计先进的集成电路。

电机工程学是工程学重要的分科之一，主要是有关电学、电子学及电磁学方面的研究或应用。电机工程最先是在十九世纪末期在电报及电力传输开始商业化之后开始被认为是一个独立的工程领域。这个新的领域再细分为许多小分支，像是电力工程、电子工程、自动控制、信号处理及电信工程。

电机工程广义上涵盖该领域的分支，但在北美以外的地方，“电机工程”（electrical engineering）一词的意义有时不包括“电子工程”（electronic engineering）。 当情况作出这区别，则“电机工程”与“电力工程”意义相同，是指和大能量的电力系统（像是电力传输、重型电机机械及电动机）相关，而“电子工程”则指处理小信号的电子系统（像是计算机和集成电路）[1]。另一个区分的方法则是电力工程师着重在利用电力进行能源的传输，而电子工程师则是着重在利用电子讯号进行信息的传输。

目录

历史

主条目：电机工程学史

早期发展

发表的欧姆定律的格奥尔格·欧姆

电力最晚从17世纪初期便已是受到关心的科学主题。第一个电机工程师可能是首先设计出可以侦测静电存在验电器的威廉·吉尔伯特（William Gilbert），他也是第一个清楚划分磁力和静电的相异性并建立主要相关词汇的科学家[2]。然而，相关的研究一直到19世纪才开始正式展开。这个世纪最值得一提的几个发展分别是：1827年时由格奥尔格·欧姆（Georg Ohm）所发表的欧姆定律。他清楚的提出了电路分析中电流、电压及电阻之间的基本关系；1831年的麦可·法拉第发现的电磁感应；詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1873年所发表的麦克斯韦方程组及其创立的古典电动力学[3]。

在发展初期，电机工程的研究大部分被归类为物理学的一个分支领域，直到19世纪末许多大学开始设立电机工程学的学位为止。1882年时，德国的达姆施塔特工业大学（Darmstadt University of Technology）首先创立世界上第一个有教授及系主任职位的电机学系。1883年时达姆施塔特工业大学和康乃尔大学创立电机工程学系的第一批课程。1885年时，伦敦大学学院设立英国第一个电机学系[4]。1886年时，密苏里大学也在美国创立了第一个电机工程学系[5]。

汤玛斯·爱迪生建立世界第一个电力供应网络

在这个草创年代里，电机工程的进展有戏剧化的进展。1882年时，汤玛斯·爱迪生开启了世界上第一个电力供应网络，提供给下曼哈顿地区59个用户110伏特的直流电。1887年时，尼古拉·特斯拉申请了相当数量以交流电供应电力的专利。接下来的几年内，特斯拉和爱迪生开始了一场所谓的“电流戦争”来决定电源的提供方式。交流电最终取代了直流电的供应方式，也大大提升了电力的安全性和供应效率。

特斯拉和爱迪生的贡献使电机工程学有长足的进展。特斯拉在感应马达及多相系统大大影响接下来电力系统的发展，而爱迪生则是在电报系统和 纸带打点计时器上持续获利（爱迪生的公司最后成为奇异公司）。而在19世纪结束时，许多电机工程的领域也开始合并[6]。

近代发展

在无线电开始发展的年代，许多科学家和发明家在分别对无线电和电子学做出贡献。在海因里希·鲁道夫·赫兹1888年特高频（Ultra high frequency，UHF）的实验中，他利用电机设备传输并接收到无线波段的无线电波。1895年时，尼古拉·特斯拉的实验结果可以在离纽约实验室约40公里远的地点接收到无线电波[7]。1897年时，卡尔·费迪南德·布劳恩开始在示波器中使用阴极射线管，之后阴极射线管也成为电视机最关键的零组件[8]。1904年时，约翰·佛莱明（John Fleming）首先发明真空管的二极管，两年后罗伯特·凡李本（Robert von Lieben）和李·德·佛瑞斯特（Lee De Forest）也独力发明了放大电流的真空管，称之为三极管[9]。1920年时，艾柏特·哈尔（Albert Hull）发展出可产生微波的真空管。这项突破也促成了1946年波西·史斑塞（Percy Spencer）对微波炉的发展[10][11]。1934年时，英国陆军开始利用微波科技来开发雷达，并在1936年8月在Bawdsey成立第一座雷达站开始运作[12]。

1941年时，德国科学家Konrad Zuse展示了Z3系统，这也是世界上第一部可正常运作且可程式化的电脑[13]。1946年2月15日，美军在二战中投资研制的电子数值积分计算器（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）诞生于美国宾夕法尼亚大学。这一系列电脑的运算能力开启了数值运算的新领域及新的科学探索，如日后的阿波罗计划及美国NASA的登月计划等等[14]。

威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·豪泽·布喇顿在1947年发明了晶体管开启了日后集成电路的广泛应用。1958年的杰克·基尔比和1959年的罗伯特·诺伊斯分别独立发明集成电路[15]。1968年，英特尔发明第一个微处理器，为今日个人电脑发展的滥觞。英特尔在1971年推出4004为第一个商品化的微处理器，而1973年的8080则是第一颗八位元处理器。第一部个人电脑Altair 8800也因应而生 [16]。

涵盖领域

电力

主条目：电力学

电力工程主要是处理发电、电力传输、电力网络及相关设备的设计。这些设备包括发电机、变压器、电动机及电力电子等。在世界上许多地区，电力网络是由政府负责维护，并相互协调各个网络不同发电系统间的电力以提供使用者能源，使用者再各自跟不同范围类的电力公司购买电力。电力工程师工作则在于设计及维护电力网络和如何与其他电力网络相连。

自动控制

主条目：自动控制

自动控制主要着重于不同动态系统的系统建模以及控制器设计，使受控系统可以有所需的系统响应。而要设计控制器，工程师所必须理解的知识包括有电路学、数位信号处理、单芯片电脑以及可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）等等。自动控制学门的应用领域从飞行系统的操控到商用车辆的定速控制都可见到，且在工业的自动化技术也扮演举足轻重的角色。

控制工程师通常利用反馈信号来设计控制系统的响应，举例来说，在商用车辆的定速控制中，车行速度一直会被监控并传回给控制器，并从而调整内燃机的动力输出。只要有是当的反馈信号，控制工程师便可以运用控制理论来设计控制器，使受控系统有所需的输出。

电子学

主条目：电子工程

电子学是研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。电子学涉及很多的科学门类，包括，物理、化学、数学、材料科学等。电子技术则是应用电子学的原理设计和制造电路、电子器件来解决实际问题的科学。

1897年，汤姆生发现电子的存在，是电子学的滥觞，而从20世纪50年代半导体发现以来，IC (集成电路/集成电路)在民生的广泛应用，间接促进了计算机(电脑)的出现，使得人类的科技发展一日千里。电子学在20世纪的发展堪称第二次的石器革命。

微电子学

微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小化电路，子系统及系统的电子学分支。微电子学作为电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。微电子学是以实现电路和系统的集成为目的的。微电子学中实现的电路和系统又成为集成电路和集成系统，是微小化的；在微电子学中的空间尺寸通常是以微米（μm，1μm=10 − 6m）和纳米（nm，1nm=10 − 9m）为单位的。


仪表与量测

仪表与量测通常是设计来测量诸如压力、流量、温度等等不同的物理量。设计不同的量测工具通常需要对物理及电磁学有深入的了解。举例而言，雷达测速计乃是用都普勒效应来测量行进中车辆的速度。相同的，热电偶是用热电效应（或称之为Peltier-Seebeck效应）来测量不同端点间的温差。

基本上，量测仪器和传感器不同的地方是量测仪器通常自成系统，而传感器则是用在较大规模的电机系统中。举例而言，热电偶可能只是用在测量电炉中的维持定温的温度之用。因此，仪表与量测通常也被视为自动控制的另外一部分。

计算机工程

主条目：计算机工程

计算机工程通常是用于设计计算机或大型计算机系统的工程学，通常包括设计大量新式的硬件。小至个人数位助理，大到利用电脑来控制工业生产线，都是属于计算机工程的范畴。计算机工程除硬件外也必须了解计算机系统所使用的软件。个人所使用的桌上型电脑可视为计算机系统的小型架构。另外，在目前市面上所常见电子游戏机及DVD播放机都可包含计算机系统作为控制的中枢。

参见

参考文献

  1. ^ 电力工程师与电子工程师的不同？．FAQs - Studying Electrical Engineering．于2005年February 4查阅．（英文）
  2. ^ 威廉·吉尔伯特 (1544–1603)．电学的先驱者．于2007年May 13查阅．（英文）
  3. ^ “"格奥尔格·欧姆", "麦可·法拉第" and "詹姆斯·克拉克·麦克斯韦"” 《大英百科全书》 (第11版). (1911)。 （英文）
  4. ^ Welcome to ECE!．康乃尔大学电机工程学系网站．于2005年December 29查阅．（英文）
  5. ^ Ryder, John and Fink, Donald;（1984）．Engineers and Electrons．IEEE Press．ISBN 0-87942-172-X． （英文）
  6. ^ History．National Fire Protection Association (NFPA)．于2006年January 19查阅． (published 1996 in the NFPA Journal)（英文）
  7. ^ Leland Anderson, "Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony, and Transmission of Power", Sun Publishing Company, LC 92-60482, ISBN 0-9632652-0-2 (ed. excerpts available online)
  8. ^ Karl Ferdinand Braun．于2006年September 10查阅．
  9. ^ History of Amateur Radio．What is Amateur Radio?．于2006年January 18查阅．
  10. ^ Albert W. Hull (1880–1966)．IEEE History Center．于2006年January 22查阅．
  11. ^ Who Invented Microwaves?．于2006年January 22查阅．
  12. ^ Early Radar History．Peneley Radar Archives．于2006年January 22查阅．
  13. ^ The Z3．于2006年January 18查阅．
  14. ^ The ENIAC Museum Online．于2006年January 18查阅．
  15. ^ Electronics Timeline．Greatest Engineering Achievements of the Twentieth Century．于2006年January 18查阅．
  16. ^ Computing History (1971–1975)．于2006年January 18查阅．







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