Электротехника

Не путать с электротехникой .

Электротехника

Длинный ряд разъединителей
Занятие
Имена	Инженер-электрик
Секторы деятельности	Электроника , электрические цепи , электромагнетизм , энергетика , электрические машины , телекоммуникации , системы управления , обработка сигналов , оптика , фотоника и электрические подстанции .
Описание
Компетенции	Технические знания, навыки управления, высшая математика, проектирование систем, физика, абстрактное мышление, аналитическое мышление, философия логики (см. также Глоссарий по электротехнике и электронике ).
Области работа	Технологии , наука , разведка , вооруженные силы , промышленность и общество.

Электротехника — это инженерная дисциплина, занимающаяся изучением, проектированием и применением оборудования, устройств и систем, использующих электричество , электронику и электромагнетизм . Это занятие возникло как узнаваемое занятие во второй половине XIX века после коммерциализации электрического телеграфа , телефона, а также электроэнергии производства, распределения и использования .

Электротехника разделена на широкий спектр различных областей, включая компьютерную инженерию , системную инженерию , энергетику , телекоммуникации , радиочастотную технику , обработку сигналов , приборостроение , фотоэлектрические элементы , электронику , а также оптику и фотонику . Многие из этих дисциплин пересекаются с другими инженерными отраслями, охватывая огромное количество специализаций, включая аппаратную инженерию, силовую электронику , электромагнетику и волны, микроволновую технику , нанотехнологии , электрохимию , возобновляемые источники энергии, мехатронику/управление и электротехническое материаловедение.

Инженеры-электрики обычно имеют степень в области электротехники, электроники или электротехники и электронной техники. Практикующие инженеры могут иметь профессиональную сертификацию и быть членами профессиональной организации или международной организации по стандартизации. К ним относятся Международная электротехническая комиссия (МЭК), 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 различаются. Они варьируются от теории цепей до управленческих навыков менеджера проекта . Инструменты и оборудование, которые могут понадобиться отдельному инженеру, также разнообразны: от простого вольтметра до сложного программного обеспечения для проектирования и производства.

История

Основная статья: История электротехники

Электричество было предметом научного интереса, по крайней мере, с начала 17 века. Уильям Гилберт был выдающимся ученым-электриком и первым провел четкое различие между магнетизмом и статическим электричеством . Ему приписывают создание термина «электричество». Он также разработал версориум : устройство, которое обнаруживает наличие статически заряженных объектов. В 1762 году шведский профессор Йохан Вильке изобрел устройство, позже названное электрофором , которое создавало статический электрический заряд. К 1800 году Алессандро Вольта разработал гальваническую батарею , предшественника электрической батареи.

19 век

Открытия Майкла Фарадея легли в основу технологии электродвигателей.

В 19 веке исследования по этому вопросу начали активизироваться. Известные события этого столетия включают работу Ганса Христиана Эрстеда , который в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле, которое отклоняет стрелку компаса; Уильяма Стерджена , который в 1825 году изобрел электромагнит ; о Джозефе Генри и Эдварде 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» .

В 1782 году Жорж-Луи Лесаж разработал и представил в Берлине, вероятно, первую в мире форму электрического телеграфа , в которой использовалось 24 различных провода, по одному на каждую букву алфавита. Этот телеграф соединял две комнаты. Это был электростатический телеграф, который перемещал сусальное золото посредством электропроводности.

В 1795 году Франсиско Сальва Кампильо предложил электростатическую телеграфную систему. Между 1803 и 1804 годами он работал над электрическим телеграфом, 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 большое влияние оказали два открытия, сделанные в Европе в 1800 году, — электрическая батарея Алессандро Вольта для генерации электрического тока и электролиз воды Уильяма Николсона и Энтони Карлайла. Электрическую телеграфию можно считать первым примером электротехники. Электротехника стала профессией в конце 19 века. Практики создали глобальную электрическую телеграфную сеть, а в Великобритании и США были основаны первые профессиональные электротехнические институты 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. Более 50 лет спустя он присоединился к новому Обществу инженеров-телеграфистов (вскоре переименованному в Институт инженеров-электриков ), где другие члены считали его первым в своей когорте. К концу XIX века мир навсегда изменился благодаря быстрой связи, ставшей возможной благодаря инженерному развитию наземных линий связи, подводных кабелей и, примерно с 1890 года, беспроводного телеграфа .

Практическое применение и достижения в таких областях создали растущую потребность в стандартизированных единицах измерения . Они привели к международной стандартизации единиц измерения вольт , ампер , кулон , ом , фарад и генри . Это было достигнуто на международной конференции в Чикаго в 1893 году. Публикация этих стандартов легла в основу будущих достижений стандартизации в различных отраслях, и во многих странах определения были немедленно признаны в соответствующем законодательстве.

В те годы изучение электричества в основном считалось разделом физики, поскольку ранние электротехнологии считались электромеханическими 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. Первая программа получения степени по электротехнике в Соединенных Штатах была начата в Массачусетском технологическом институте (MIT) на физическом факультете под руководством профессора Чарльза Кросса. хотя именно Корнеллский университет в 1885 году выпустил первых в мире выпускников электротехники. Первый курс электротехники был прочитан в 1883 году в Корнеллском колледже машиностроения и механических искусств Сибли .

Примерно в 1885 году президент Корнелла Эндрю Диксон Уайт основал первый факультет электротехники в Соединенных Штатах. В том же году Университетский колледж Лондона основал первую кафедру электротехники в Великобритании. Профессор Менделл П. Вайнбах из Университета Миссури основал факультет электротехники в 1886 году. После этого университеты и технологические институты постепенно начали предлагать своим студентам программы по электротехнике по всему миру.

За эти десятилетия резко возросло использование электротехники. В 1882 году Томас Эдисон включил первую в мире крупную электроэнергетическую сеть, которая обеспечивала напряжением 110 В постоянного тока (DC) 59 потребителей на острове Манхэттен в Нью-Йорке. В 1884 году сэр Чарльз Парсонс изобрел паровую турбину, позволяющую более эффективно вырабатывать электроэнергию. Переменный ток с его способностью более эффективно передавать мощность на большие расстояния за счет использования трансформаторов быстро развивался в 1880-х и 1890-х годах благодаря конструкциям трансформаторов Кароя Циперновского , Отто Блати и Миксы Дери (позже названных трансформаторами ZBD), Люсьена Голара , Джона Диксон Гиббс и Уильям Стэнли-младший. Практические двигателей переменного тока конструкции , включая асинхронные двигатели, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Тесла и далее развиты в практическую трехфазную форму Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном . Чарльз Стейнмец и Оливер Хевисайд внесли свой вклад в теоретическую основу разработки переменного тока. Распространение использования переменного тока вызвало в Соединенных Штатах то, что было названо войной токов между системой переменного тока, поддерживаемой Джорджем Вестингаузом , и системой питания постоянного тока, поддерживаемой Томасом Эдисоном, при этом переменный ток был принят в качестве общего стандарта.

Начало 20 века

Гульельмо Маркони , известный своими новаторскими работами в области радиопередачи на большие расстояния.

В период развития радио многие учёные 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 возникновения невидимых воздушных волн (позже названных «радиоволнами»). В своих классических физических экспериментах 1888 года Генрих Герц доказал теорию Максвелла, передавая радиоволны с помощью передатчика на искровом разряднике , и обнаруживал их с помощью простых электрических устройств. Другие физики экспериментировали с этими новыми волнами и в процессе разработали устройства для их передачи и обнаружения. В 1895 году Гульельмо Маркони начал работу над адаптацией известных методов передачи и обнаружения этих «волн Герца» в специально построенную коммерческую беспроводную телеграфную систему. Вначале он посылал беспроводные сигналы на расстояние полутора миль. В декабре 1901 года он послал беспроводные волны, на которые не повлияла кривизна Земли. Позже Маркони передавал беспроводные сигналы через Атлантику между Полдху, Корнуолл и Сент-Джонс, Ньюфаундленд , на расстоянии 2100 миль (3400 км).

Коммуникация на миллиметровых волнах была впервые исследована Джагадишем Чандрой Босом в 1894–1896 годах, когда он достиг чрезвычайно высокой частоты - до 60   ГГц . в своих экспериментах Он также представил использование полупроводниковых переходов для обнаружения радиоволн. когда он запатентовал радиокристаллический детектор в 1901 году.

В 1897 году Карл Фердинанд Браун представил электронно-лучевую трубку как часть осциллографа , важнейшую технологию электронного телевидения . Джон Флеминг изобрел первую радиолампу, диод , в 1904 году. Два года спустя Роберт фон Либен и Ли Де Форест независимо друг от друга разработали ламповый усилитель, названный триодом .

В 1920 году Альберт Халл разработал магнетрон , который в конечном итоге привел к разработке микроволновой печи в 1946 году Перси Спенсером . В 1934 году британские военные начали предпринимать шаги в направлении радара (который также использует магнетрон) под руководством доктора Уимпериса, кульминацией которого стала эксплуатация первой радиолокационной станции в Боудси в августе 1936 года.

В 1941 году Конрад Цузе представил Z3 , первый в мире полностью функциональный и программируемый компьютер с использованием электромеханических частей. В 1943 году Томми Флауэрс спроектировал и построил « Колосс» — первый в мире полностью функциональный электронный цифровой программируемый компьютер. В 1946 году последовал ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер) Джона Преспера Эккерта и Джона Мочли , положивший начало компьютерной эре. Арифметические характеристики этих машин позволили инженерам разработать совершенно новые технологии и достичь новых целей.

В 1948 году Клод Шеннон опубликовал «Математическую теорию связи», которая математически описывает передачу информации с неопределенностью ( электрический шум ).

Твердотельная электроника

См. также: История электронной техники , История транзистора , Изобретение интегральной схемы , МОП-транзистор и Твердотельная электроника.

Точная копия первого работающего транзистора , точечный транзистор.

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), основной строительный блок современной электроники.

Первым работающим транзистором был транзистор с точечным контактом, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Брэттеном во время работы под руководством Уильяма Шокли в Bell Telephone Laboratories (BTL) в 1947 году. Затем в 1948 году они изобрели биполярный транзистор . Хотя ранние переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в массовом производстве , они открыли дверь для более компактных устройств.

Первыми интегральными схемами были гибридная интегральная схема, изобретенная Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, и монолитная интегральная микросхема, изобретенная Робертом Нойсом в Fairchild Semiconductor в 1959 году.

МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в BTL в 1959 году. Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. Это произвело революцию в электронной промышленности , становится самым широко используемым электронным устройством в мире.

MOSFET позволил создавать микросхемы интегральных схем высокой плотности . Самая ранняя экспериментальная микросхема МОП-ИС была изготовлена ​​Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в лабораториях RCA в 1962 году. Технология МОП позволила реализовать закон Мура — удвоение количества транзисторов на микросхеме каждые два года, предсказанное Гордоном Муром в 1965 году. Технология МОП с кремниевым затвором была разработана Федерико Фаггином из Fairchild в 1968 году. С тех пор МОП-транзистор стал основным строительным блоком современной электроники. Массовое производство кремниевых МОП-транзисторов и МОП-интегральных микросхем, а также непрерывная миниатюризация МОП-транзисторов с экспоненциальной скоростью (как и предсказывает закон Мура ), с тех пор привели к революционным изменениям в технологии, экономике, культуре и мышлении.

Программа «Аполлон» , кульминацией которой стала высадка астронавтов на Луну на корабле «Аполлон-11» в 1969 году, стала возможной благодаря внедрению НАСА достижений в области полупроводниковых электронных технологий , включая МОП-транзисторы на Межпланетной платформе мониторинга (IMP). и кремниевые интегральные схемы в управляющем компьютере Apollo (AGC).

Развитие технологии МОП-интегральных схем в 1960-х годах привело к изобретению микропроцессора в начале 1970-х годов. Первым однокристальным микропроцессором стал Intel 4004 , выпущенный в 1971 году. Intel 4004 был разработан и реализован Федерико Фаггином из Intel с использованием его технологии MOS с кремниевым затвором. наряду с Марсианом Хоффом и Стэнли Мазором из Intel и Масатоши Симой из Busicom. Микропроцессор привел к развитию микрокомпьютеров и персональных компьютеров, а также к микрокомпьютерной революции .

Подполя

Одним из свойств электричества является то, что оно очень полезно для передачи энергии, а также для передачи информации. Это были также первые области развития электротехники. Сегодня электротехника имеет множество подразделов, наиболее распространенные из которых перечислены ниже. Хотя есть инженеры-электрики, которые специализируются исключительно на одной из этих дисциплин, многие занимаются их комбинацией. Иногда определенные области, такие как электронная инженерия и компьютерная инженерия , считаются самостоятельными дисциплинами.

Мощность и энергия

Основные статьи: Энергетика и Энергетика

Верхняя часть столба электропередачи

Энергетика и энергетика занимается производством , передачей и распределением электроэнергии, а также разработкой ряда сопутствующих устройств. К ним относятся трансформаторы , электрические генераторы , электродвигатели , техника высокого напряжения и силовая электроника . Во многих регионах мира правительства поддерживают электрическую сеть, называемую энергосистемой , которая соединяет различные генераторы с потребителями их энергии. Пользователи покупают электроэнергию из сети, избегая дорогостоящих затрат на выработку собственной энергии. Инженеры-энергетики могут заниматься проектированием и обслуживанием энергосистемы, а также энергосистем, которые к ней подключаются. Такие системы называются сетевыми энергосистемами и могут поставлять в сеть дополнительную мощность, получать электроэнергию из сети или делать и то, и другое. Инженеры-энергетики могут также работать над системами, которые не подключаются к сети, называемыми автономными энергосистемами, которые в некоторых случаях предпочтительнее сетевых систем.

Телекоммуникации

Основная статья: Телекоммуникационная техника

Спутниковые антенны являются важнейшим компонентом анализа спутниковой информации.

Телекоммуникационная инженерия фокусируется на передаче информации по каналу связи , например, по коаксиальному кабелю , оптическому волокну или в свободном пространстве . Передача через свободное пространство требует, чтобы информация была закодирована в сигнале несущей, чтобы сдвинуть информацию на несущую частоту, подходящую для передачи; это известно как модуляция . Популярные методы аналоговой модуляции включают амплитудную модуляцию и частотную модуляцию . Выбор модуляции влияет на стоимость и производительность системы, и инженер должен тщательно сбалансировать эти два фактора.

После определения характеристик передачи системы инженеры связи проектируют передатчики и приемники, необходимые для таких систем. Эти два устройства иногда объединяются, образуя устройство двусторонней связи, известное как трансивер . Ключевым моментом при проектировании передатчиков является их энергопотребление , поскольку оно тесно связано с мощностью их сигнала . Обычно, если мощность передаваемого сигнала недостаточна, как только сигнал поступает на антенну(ы) приемника, информация, содержащаяся в сигнале, будет искажена шумом , особенно статическим.

Техника управления

Основные статьи: Техника управления и теория управления

Системы управления играют решающую роль в космических полетах .

Инженерия управления фокусируется на моделировании широкого спектра динамических систем и разработке контроллеров , которые заставят эти системы вести себя желаемым образом. Для реализации таких контроллеров инженеры по управлению электроникой могут использовать электронные схемы , процессоры цифровых сигналов , микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры (ПЛК). Техника управления имеет широкий спектр применений: от пилотажных и двигательных систем коммерческих авиалайнеров до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях . Он также играет важную роль в промышленной автоматизации .

Инженеры по управлению часто используют обратную связь при проектировании систем управления . Например, в автомобиле с круиз-контролем автомобиля скорость постоянно контролируется и передается обратно в систему, которая соответствующим образом регулирует двигателя выходную мощность . При наличии регулярной обратной связи можно использовать теорию управления, чтобы определить, как система реагирует на такую ​​обратную связь.

Инженеры по управлению также работают в области робототехники , разрабатывая автономные системы, используя алгоритмы управления, которые интерпретируют сенсорную обратную связь для управления приводами, которые перемещают роботов, таких как автономные транспортные средства , автономные дроны и другие, используемые в различных отраслях.

Электроника

Основная статья: Электронная инженерия

Электронные компоненты

Электронная инженерия включает в себя проектирование и тестирование электронных схем , в которых используются свойства таких компонентов , как резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности , диоды и транзисторы , для достижения определенной функциональности. Настроенная схема , которая позволяет пользователю радио отфильтровывать все станции, кроме одной, является лишь одним примером такой схемы. Еще одним примером для исследования является формирователь пневматического сигнала.

До Второй мировой войны этот предмет был широко известен как радиотехника и в основном ограничивался аспектами связи и радара , коммерческого радио и раннего телевидения . Позже, в послевоенные годы, когда начали разрабатываться потребительские устройства, эта область расширилась и включила современное телевидение, аудиосистемы, компьютеры и микропроцессоры . В середине-конце 1950-х годов термин «радиотехника» постепенно уступил место названию «электронная техника» .

До изобретения интегральной схемы в 1959 г. электронные схемы были построены из дискретных компонентов, которыми мог манипулировать человек. Эти дискретные схемы потребляли много места и энергии и были ограничены в скорости, хотя в некоторых приложениях они все еще распространены. Напротив, интегральные схемы содержат большое количество — часто миллионы — крошечных электрических компонентов, в основном транзисторов . в небольшую фишку размером с монету . Это позволило создать мощные компьютеры и другие электронные устройства, которые мы видим сегодня.

Микроэлектроника и наноэлектроника

Основные статьи: Микроэлектроника , Наноэлектроника и Проектирование микросхем.

Микропроцессор

Микроэлектроника занимается разработкой и изготовлением очень маленьких электронных схем для использования в интегральных схемах или иногда для использования отдельно в качестве общего электронного компонента. 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 нанометрового уровня. Современные устройства уже работают на нанометровом уровне, а обработка менее 100 нм стала стандартной примерно с 2002 года.

Микроэлектронные компоненты создаются путем химического изготовления пластин полупроводников, таких как кремний (на более высоких частотах, составных полупроводников, таких как арсенид галлия и фосфид индия), чтобы получить желаемый транспорт 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 .

Обработка сигналов

Основная статья: Обработка сигналов

Фильтр Байера на ПЗС-матрице требует обработки сигнала для получения значений красного, зеленого и синего для каждого пикселя.

Обработка сигналов занимается анализом и манипулированием сигналами . Сигналы могут быть либо аналоговыми , и в этом случае сигнал непрерывно меняется в зависимости от информации, либо цифровыми , и в этом случае сигнал изменяется в соответствии с рядом 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 и исправление ошибок сигналов, дискретизированных в цифровой форме.

Обработка сигналов — это очень математически ориентированная и интенсивная область, составляющая ядро ​​цифровой обработки сигналов , и она быстро расширяется за счет новых приложений во всех областях электротехники, таких как связь, управление, радар, аудиотехника , радиовещательная техника , силовая электроника и биомедицина. инженерии , поскольку многие уже существующие аналоговые системы заменяются их цифровыми аналогами. Аналоговая обработка сигналов по-прежнему важна при разработке многих систем управления .

Микросхемы процессоров DSP встречаются во многих типах современных электронных устройств, таких как цифровые телевизоры , радиоприемники, Hi-Fi аудиоаппаратура , мобильные телефоны, мультимедийные проигрыватели , видеокамеры и цифровые фотоаппараты, системы управления автомобилями, наушники с шумоподавлением , цифровые анализаторы спектра , системы наведения ракет, радиолокационные системы и телематические системы. В таких продуктах DSP может отвечать за шумоподавление , речи распознавание или синтез , кодирование или декодирование цифровых носителей, беспроводную передачу или прием данных, триангуляцию позиций с использованием GPS и другие виды обработки изображений , обработку видео , обработку звука и обработку речи. .

Инструментарий

Основная статья: Приборостроение

Летные приборы предоставляют пилотам инструменты для аналитического управления самолетом.

Приборостроение занимается разработкой устройств для измерения физических величин, таких как давление , расход и температура. Конструкция таких инструментов требует хорошего понимания физики , которое часто выходит за рамки электромагнитной теории . Например, летные приборы измеряют такие переменные, как скорость ветра и высота, чтобы пилоты могли аналитически управлять самолетом. Точно так же термопары используют эффект Пельтье-Зебека для измерения разницы температур между двумя точками.

Часто приборы используются не сами по себе, а в качестве датчиков более крупных электрических систем. Например, можно использовать термопару, чтобы обеспечить постоянство температуры печи. По этой причине приборостроение часто рассматривается как аналог управления.

Компьютеры

Основная статья: Компьютерная инженерия

Суперкомпьютеры используются в таких разнообразных областях, как вычислительная биология и географические информационные системы .

Компьютерная инженерия занимается проектированием компьютеров и компьютерных систем . Это может включать в себя разработку нового оборудования . Компьютерные инженеры также могут работать над программным обеспечением системы. Однако проектирование сложных программных систем часто является областью разработки программного обеспечения, которую обычно считают отдельной дисциплиной. Настольные компьютеры представляют собой лишь небольшую часть устройств, над которыми может работать компьютерный инженер, поскольку компьютероподобная архитектура сейчас встречается во многих встраиваемых устройствах, включая игровые консоли и DVD-плееры . Компьютерные инженеры участвуют во многих аппаратных и программных аспектах вычислений. Роботы — одно из применений компьютерной техники.

Фотоника и оптика

Основные статьи: Фотоника и оптика

Фотоника и оптика занимается генерацией, передачей, усилением, модуляцией, обнаружением и анализом электромагнитного излучения . Применение оптики связано с созданием оптических инструментов, таких как линзы , микроскопы , телескопы и другое оборудование, использующее свойства электромагнитного излучения. Другие известные применения оптики включают электрооптические датчики и измерительные системы, лазеры , волоконно-оптические системы связи и системы оптических дисков (например, CD и DVD). Фотоника в значительной степени опирается на оптические технологии, дополненные современными разработками, такими как оптоэлектроника (в основном с использованием полупроводников ), лазерные системы, оптические усилители и новые материалы (например, метаматериалы ).

Связанные дисциплины

Аппарат искусственной вентиляции легких Bird VIP для младенцев

Мехатроника — это инженерная дисциплина, которая занимается конвергенцией электрических и механических систем. Такие комбинированные системы известны как электромеханические системы и получили широкое распространение. Примеры включают автоматизированные производственные системы , системы отопления, вентиляции и кондиционирования , и различные подсистемы самолетов и автомобилей . Проектирование электронных систем — это предмет электротехники, который занимается междисциплинарными проблемами проектирования сложных электрических и механических систем.

Термин «мехатроника» обычно используется для обозначения макроскопических систем, но футуристы предсказали появление очень маленьких электромеханических устройств. Такие небольшие устройства, известные как микроэлектромеханические системы (МЭМС), уже используются в автомобилях, чтобы сообщать подушкам безопасности , когда сработать. в цифровых проекторах для создания более четких изображений и в струйных принтерах для создания сопел для печати высокой четкости. Есть надежда, что в будущем эти устройства помогут создавать крошечные имплантируемые медицинские устройства и улучшать оптическую связь .

В аэрокосмической технике и робототехнике примером являются новейшие электрические и ионные двигатели.

Образование

Основная статья: Образование и подготовка инженеров-электриков и электронщиков

осциллограф

Инженеры-электрики обычно имеют ученую степень по специальности «электротехника», «электроника» , «электротехника» . или электротехника и электроника. 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 полученная степень может быть обозначена как бакалавр наук в области электротехники / электроники, бакалавр инженерных наук , бакалавр наук, бакалавр технологий или бакалавр прикладных наук. , в зависимости от университета. обычно Степень бакалавра включает разделы, охватывающие физику , математику, информатику , управление проектами и различные темы электротехники . Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, разделы электротехники. В некоторых школах учащиеся могут затем выбрать одну или несколько дисциплин ближе к концу курса обучения.

Пример принципиальной схемы , которая будет полезна при проектировании схем и устранении неполадок.

Во многих школах электронная инженерия включена в программу премий по электротехнике, иногда прямо, например, степень бакалавра инженерных наук (электротехника и электроника), но в других электротехника и электроника считаются достаточно широкими и сложными, поэтому степени разделяются. предлагаются.

Некоторые инженеры-электрики предпочитают учиться в аспирантуре, например, на степень магистра технических наук /магистра наук (MEng/MSc), магистра инженерного менеджмента , доктора философии (PhD) в области инженерии, доктора технических наук (Eng.D. ), или степень инженера . Степени магистра и инженера могут состоять из исследований, курсовой работы или их смеси. Степени доктора философии и инженерных наук состоят из значительного исследовательского компонента и часто рассматриваются как точка входа в академические круги . В Соединенном Королевстве и некоторых других европейских странах магистр технических наук часто считается степенью бакалавра немного большей продолжительности, чем степень бакалавра инженерных наук, а не отдельной степенью последипломного образования.

Профессиональная практика

Бельгийские инженеры-электрики осматривают ротор турбины мощностью 40 000 киловатт компании General Electric в Нью-Йорке.

В большинстве стран степень бакалавра инженерных наук представляет собой первый шаг на пути к профессиональной сертификации , а сама программа обучения сертифицируется профессиональной организацией . После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен удовлетворить ряд требований (включая требования к опыту работы), прежде чем получить сертификацию. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (в США, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или зарегистрированного инженера (в Индии, Пакистане, Великобритании, Ирландии и Зимбабве ), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Южной Африке). Новая Зеландия) или европейский инженер (в большей части Европейского Союза ).

Корпоративный офис IEEE находится на 17 этаже по адресу 3 Park Avenue в Нью-Йорке.

Преимущества лицензирования варьируются в зависимости от местоположения. Например, в США и Канаде «только лицензированный инженер может заверять инженерные работы для государственных и частных заказчиков». Это требование обеспечивается законодательством штата и провинции, таким как . Закон об инженерах Квебека В других странах такого законодательства не существует. Практически все сертифицирующие органы придерживаются кодекса этики , который, как они ожидают, будут соблюдать все члены, иначе они рискуют быть исключенными. Таким образом, эти организации играют важную роль в поддержании этических стандартов профессии. Даже в юрисдикциях, где сертификация практически не имеет юридического влияния на работу, на инженеров распространяется договорное право . В случаях, когда работа инженера не удалась, он или она могут быть привлечены к ответственности за халатность , а в крайних случаях – к обвинению в преступной халатности . Работа инженера также должна соответствовать множеству других правил и норм, таких как строительные нормы и правила, касающиеся экологического права .

Известные профессиональные организации инженеров-электриков включают Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институт техники и технологий (IET). IEEE утверждает, что выпускает 30% мировой литературы по электротехнике, насчитывает более 360 000 членов по всему миру и ежегодно проводит более 3000 конференций. IET издает 21 журнал, насчитывает более 150 000 членов по всему миру и претендует на звание крупнейшего профессионального инженерного общества в Европе. Устаревание технических навыков является серьезной проблемой для инженеров-электриков. Поэтому членство и участие в технических обществах, регулярные обзоры периодических изданий в этой области и привычка к постоянному обучению имеют важное значение для поддержания квалификации. МИЭТ (член Института инженерии и технологий) признан в Европе как инженер по электротехнике и компьютерным технологиям.

В Австралии, Канаде и США инженеры-электрики составляют около 0,25% рабочей силы.

Инструменты и работа

от системы глобального позиционирования до производства электроэнергии Инженеры-электрики внесли свой вклад в развитие широкого спектра технологий, . Они проектируют, разрабатывают, тестируют и контролируют внедрение электрических систем и электронных устройств. Например, они могут работать над проектированием телекоммуникационных систем, эксплуатацией электростанций , освещением и проводкой зданий, проектированием бытовой техники или электрическим управлением промышленным оборудованием.

Спутниковая связь типична для работы инженеров-электриков.

Фундаментальным для этой дисциплины являются науки физики и математики, поскольку они помогают получить как качественное , так и количественное описание того, как такие системы будут работать. Сегодня большая часть инженерных работ связана с использованием компьютеров широко распространено использование программ автоматизированного проектирования , и при проектировании электрических систем . Тем не менее, способность зарисовывать идеи по-прежнему неоценима для быстрого общения с другими.

робота Shadow Ручная система

Хотя большинство инженеров-электриков понимают основы теории цепей (то есть взаимодействие таких элементов, как резисторы , конденсаторы , диоды , транзисторы и катушки индуктивности в цепи), теории, используемые инженерами, обычно зависят от выполняемой ими работы. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут быть важны для инженера, работающего над СБИС (проектированием интегральных схем), но в значительной степени не имеют значения для инженеров, работающих с макроскопическими электрическими системами. Даже теория цепей может быть неактуальна для человека, проектирующего телекоммуникационные системы, в которых используются готовые компоненты. Возможно, наиболее важные технические навыки для инженеров-электриков отражены в университетских программах, в которых особое внимание уделяется сильным цифровым навыкам , компьютерной грамотности и способности понимать технический язык и концепции , относящиеся к электротехнике.

Лазер , отражающийся от акрилового стержня, иллюстрирует полное внутреннее отражение света в многомодовом оптическом волокне.

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 универсальным инструментом. В радиотехнике и высокочастотной телекоммуникации анализаторы спектра и анализаторы сетей используются . В некоторых дисциплинах безопасность приборов может вызывать особую озабоченность. Например, разработчики медицинской электроники должны учитывать, что напряжения, значительно более низкие, чем обычно, могут быть опасными, когда электроды находятся в непосредственном контакте с внутренними жидкостями организма. В технике передачи энергии также возникают серьезные проблемы с безопасностью из-за используемого высокого напряжения; хотя вольтметры в принципе могут быть похожи на свои низковольтные эквиваленты, проблемы безопасности и калибровки сильно отличают их. Многие дисциплины электротехники используют тесты, специфичные для их дисциплины. Инженеры по аудиоэлектронике используют наборы для тестирования звука, состоящие из генератора сигналов и измерителя, в основном для измерения уровня, а также 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 можно сказать и о телевещании.

Обтекатель на авиабазе Мисава Центр управления безопасностью Мисава, Мисава, Япония

Для многих инженеров техническая работа составляет лишь часть выполняемой ими работы. Много времени также может быть потрачено на такие задачи, как обсуждение предложений с клиентами, подготовка бюджетов и определение графиков проекта . Многие старшие инженеры управляют командой техников или других инженеров, и по этой причине управления проектами важны навыки . Большинство инженерных проектов включают в себя ту или иную форму документации, поэтому сильные письменные коммуникативные навыки очень важны.

Рабочие места инженеров столь же разнообразны, как и виды выполняемых ими работ. Инженеров-электриков можно найти в чистых лабораторных условиях производственного предприятия , 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.

Электротехника имеет тесную связь с физическими науками. Например, физик лорд Кельвин сыграл важную роль в разработке первого трансатлантического телеграфного кабеля . И наоборот, инженер Оливер Хевисайд написал крупную работу по математике передачи по телеграфным кабелям. Инженеры-электрики часто требуются для реализации крупных научных проектов. Например, крупным ускорителям частиц, таким как ЦЕРН, нужны инженеры-электрики, которые будут заниматься многими аспектами проекта, включая распределение энергии, контрольно-измерительные приборы, а также производство и установку сверхпроводящих электромагнитов .

См. также

• Барнакл (сленг)
• Сравнение программного обеспечения EDA
• Электротехнолог
• Автоматизация электронного проектирования
• Глоссарий по электротехнике и электронике
• Указатель статей по электротехнике
• Информационная инженерия
• Международная электротехническая комиссия (МЭК)
• Список инженеров-электриков
• Список машиностроительных отраслей
• Список компаний-производителей механического, электрического и электронного оборудования по выручке
• Список российских инженеров-электриков
• Занятия в области электротехники/электроники
• Очерк электротехники
• Хронология электротехники и электронной техники

Ссылки

Библиография

• Абрамсон, Альберт (1955). Электронные кинофильмы: история телевизионной камеры . Издательство Калифорнийского университета.
• Острем, К.Дж.; Мюррей, РМ (2021). Системы обратной связи: введение для ученых и инженеров, второе издание . Издательство Принстонского университета . п. 108. ИСБН  978-0-691-21347-7 .
• Баюми, Мэгди А.; Шварцлендер, Эрл Э. младший (31 октября 1994 г.). Технология обработки сигналов СБИС . Спрингер. ISBN  978-0-7923-9490-7 .
• Бхушан, Бхарат (1997). Микро/нанотрибология и ее приложения . Спрингер. ISBN  978-0-7923-4386-8 .
• Бисселл, Крис (25 июля 1996 г.). Техника управления, 2-е издание . ЦРК Пресс. ISBN  978-0-412-57710-9 .
• Чандрасекхар, Томас (1 декабря 2006 г.). Аналоговая связь (Jntu) . Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN  978-0-07-064770-1 .
• Чатурведи, Прадип (1997). Устойчивое энергоснабжение в Азии: материалы международной конференции Asia Energy Vision 2020, организованной индийским комитетом-членом Всемирного энергетического совета при Институте инженеров (Индия), 15–17 ноября 1996 г. в Нью-Дели . Концептуальное издательство. ISBN  978-81-7022-631-4 .
• Доддс, Кристофер; Кумар, Чандра; Веринг, Бернадетт (март 2014 г.). Оксфордский учебник по анестезии для пожилых пациентов . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-960499-9 .
• Фэрман, Фредерик Уокер (11 июня 1998 г.). Теория линейного управления: подход с пространством состояний . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-97489-5 .
• Фредлунд, генеральный директор; Рахарджо, Х.; Фредлунд, доктор медицины (30 июля 2012 г.). Механика ненасыщенных грунтов в инженерной практике . Уайли. ISBN  978-1-118-28050-8 .
• Грант, Малкольм Алистер; Биксли, Пол Ф. (1 апреля 2011 г.). Разработка геотермальных резервуаров . Академическая пресса. ISBN  978-0-12-383881-0 .
• Григсби, Леонард Л. (16 мая 2012 г.). Производство, передача и распределение электроэнергии, третье издание . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4398-5628-4 .
• Хертье, Арнольд; Перлман, Марк (1990). Развивающиеся технологии и структура рынка: исследования по шумпетеровской экономике . Издательство Мичиганского университета. ISBN  978-0-472-10192-4 .
• Хуурдеман, Антон А. (31 июля 2003 г.). Всемирная история телекоммуникаций . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-20505-0 .
• Ига, Кеничи; Кокубун, Ясуо (12 декабря 2010 г.). Энциклопедический справочник по интегральной оптике . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4200-2781-5 .
• Джалоте, Панкадж (31 января 2006 г.). Интегрированный подход к разработке программного обеспечения . Спрингер. ISBN  978-0-387-28132-2 .
• Ханна, Винод Кумар (1 января 2009 г.). Цифровая обработка сигналов . С. Чанд. ISBN  978-81-219-3095-6 .
• Ламбурн, Роберт Дж. А. (1 июня 2010 г.). Теория относительности, гравитации и космологии . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-13138-4 .
• Лейтгеб, Норберт (6 мая 2010 г.). Безопасность электромедицинских изделий: Закон – Риски – Возможности . Спрингер. ISBN  978-3-211-99683-6 .
• Леондес, Корнелиус Т. (8 августа 2000 г.). Энергетика и энергетические системы . ЦРК Пресс. ISBN  978-90-5699-677-2 .
• Махалик, Нитайгур Премчанд (2003). Мехатроника: принципы, концепции и приложения . Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN  978-0-07-048374-3 .
• Малуф, Надим; Уильямс, Кирт (1 января 2004 г.). Введение в микроэлектромеханические системы . Артех Хаус. ISBN  978-1-58053-591-5 .
• Манолакис, Димитрис Г .; Ингл, Винай К. (21 ноября 2011 г.). Прикладная цифровая обработка сигналов: теория и практика . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-139-49573-8 .
• Мартини, Л., «Многослойные проводники BSCCO-2233», в книге «Сверхпроводящие материалы для коллайдеров высоких энергий », стр. 173–181, World Scientific, 2001 г. ISBN   981-02-4319-7 .
• Мартинсен, Орьян Г.; Гримнес, Сверре (29 августа 2011 г.). Основы биоимпеданса и биоэлектричества . Академическая пресса. ISBN  978-0-08-056880-5 .
• Макдэвид, Ричард А.; Эчаоре-МакДэвид, Сьюзен (1 января 2009 г.). Возможности карьерного роста в области инженерии . Издательство информационной базы. ISBN  978-1-4381-1070-7 .
• Мерхари, Лхади (3 марта 2009 г.). Гибридные нанокомпозиты для нанотехнологий: электронные, оптические, магнитные и биомедицинские приложения . Спрингер. ISBN  978-0-387-30428-1 .
• Мук, Уильям Мойер (2008). Механический отклик обычных наноразмерных контактных геометрий . ISBN  978-0-549-46812-7 .
• Найду, С.М.; Камараджу, В. (2009). Техника высокого напряжения . Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN  978-0-07-066928-4 .
• Обайдат, Мохаммад С.; Денко, Миесо; Вунганг, Исаак (9 июня 2011 г.). Повсеместные вычисления и сети . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-1-119-97043-9 .
• Розенберг, Хаим М. (2008). Америка на ярмарке: Всемирная Колумбийская выставка 1893 года в Чикаго . Издательство Аркадия. ISBN  978-0-7385-2521-1 .
• Шмидт, Рюдигер, «Ускоритель БАК и его проблемы», в Крамер М.; Солер, FJP (ред.), Феноменология большого адронного коллайдера , стр. 217–250, CRC Press, 2004 г. ISBN   0-7503-0986-5 .
• Северс, Джеффри; Лейзе, Кристофер (24 февраля 2011 г.). Пинчон против дня: Путеводитель испорченного паломника . Лексингтонские книги. ISBN  978-1-61149-065-7 .
• Шетти, Девдас; Колк, Ричард (14 сентября 2010 г.). Проектирование системы мехатроники, версия SI . Cengage Обучение. ISBN  978-1-133-16949-9 .
• Смит, Брайан В. (январь 2007 г.). Коммуникационные структуры . Томас Телфорд. ISBN  978-0-7277-3400-6 .
• Салливан, Деннис М. (24 января 2012 г.). Квантовая механика для инженеров-электриков . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-470-87409-7 .
• Тейлор, Аллан (2008). Энергетическая промышленность . Издательство информационной базы. ISBN  978-1-4381-1069-1 .
• Томпсон, Марк (12 июня 2006 г.). Интуитивное проектирование аналоговых схем . Ньюнес. ISBN  978-0-08-047875-3 .
• Тобин, Пол (1 января 2007 г.). PSpice для разработки цифровых коммуникаций . Издательство Морган и Клейпул. ISBN  978-1-59829-162-9 .
• Танбридж, Пол (1992). Лорд Кельвин, его влияние на электрические измерения и единицы измерения . ИЭПП. ISBN  978-0-86341-237-0 .
• Тузлуков, Вячеслав (12 декабря 2010 г.). Шум обработки сигнала . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4200-4111-8 .
• Уокер, Дениз (2007). Металлы и неметаллы . Братья Эванс. ISBN  978-0-237-53003-7 .
• Уайлдс, Карл Л.; Линдгрен, Нило А. (1 января 1985 г.). Век электротехники и информатики в Массачусетском технологическом институте, 1882–1982 гг . МТИ Пресс. п. 19 . ISBN  978-0-262-23119-0 .
• Чжан, Ян; Ху, Хунлинь; Ло, Цзиджун (27 июня 2007 г.). Распределенные антенные системы: открытая архитектура для беспроводной связи будущего . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4200-4289-4 .

Дальнейшее чтение

• Адхами, Реза; Минен, Питер М.; Хайт, Денис (2007). Фундаментальные концепции электротехники и вычислительной техники с практическими задачами проектирования . Универсал-Издательство. ISBN  978-1-58112-971-7 .
• Бобер, Уильям; Стивенс, Эндрю (27 августа 2012 г.). Численные и аналитические методы с MATLAB для инженеров-электриков . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4398-5429-7 .
• Боброу, Леонард С. (1996). Основы электротехники . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-510509-4 .
• Чен, Вай Кай (16 ноября 2004 г.). Справочник по электротехнике . Академическая пресса. ISBN  978-0-08-047748-0 .
• Чуприна, Г.; Иоан, Д. (30 мая 2007 г.). Научные вычисления в электротехнике . Спрингер. ISBN  978-3-540-71980-9 .
• Фариа, Х. А. Брандао (15 сентября 2008 г.). Электромагнитные основы электротехники . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-470-69748-1 .
• Джонс, Линкольн Д. (июль 2004 г.). Электротехника: проблемы и решения . Дирборн Торговое Издательство. ISBN  978-1-4195-2131-7 .
• Каралис, Эдвард (18 сентября 2003 г.). 350 решенных задач по электротехнике . Дирборн Торговое Издательство. ISBN  978-0-7931-8511-5 .
• Кравчик, Анджей; Виак, С. (1 января 2002 г.). Электромагнитные поля в электротехнике . ИОС Пресс. ISBN  978-1-58603-232-6 .
• Лапланте, Филип А. (31 декабря 1999 г.). Большой словарь по электротехнике . Спрингер. ISBN  978-3-540-64835-2 .
• Леон-Гарсия, Альберто (2008). Вероятность, статистика и случайные процессы в электротехнике . Прентис Холл. ISBN  978-0-13-147122-1 .
• Маларик, Роман (2011). Приборы и измерения в электротехнике . Универсал-Издательство. ISBN  978-1-61233-500-1 .
• Сахай, Калдип; Патхак, Шивендра (1 января 2006 г.). Основные понятия электротехники . Нью Эйдж Интернэшнл. ISBN  978-81-224-1836-1 .
• Шринивас, Кн (1 января 2007 г.). Базовая электротехника . IK International Pvt Ltd. ISBN  978-81-89866-34-1 .

Внешние ссылки

• Международная электротехническая комиссия (МЭК)
• MIT OpenCourseWare. Архивировано 26 января 2008 г. в Wayback Machine. Подробный обзор электротехники - онлайн-курсы с видеолекциями.
• Сеть глобальной истории IEEE Вики-сайт с множеством ресурсов об истории IEEE, его членах, их профессиях, а также электрических и информационных технологиях и науках.