電機工程介紹
電機工程是歷史上沿用的名詞,又稱電氣工程。意指與電能的生產和套用有關的工程技術。由於19世紀末、20世紀初,電工工程技術的核心內容是各類電機的設計和製造,因此,以電機工程代表電工工程技術。
電機工程學是工程學重要的分科之一,主要是有關電學、電子學及電磁學方面的研究或套用。電機工程最先是在十九世紀末期在電報及電力傳輸開始商業化之後開始被認為是一個獨立的工程領域。這個新的領域再細分為許多小分支,像是電力工程、電子工程、自動控制、信號處理及電信工程。
電機工程廣義上涵蓋該領域的分支,但在北美以外的地方,「電機工程」(electricalengineering)一詞的意義有時不包括「電子工程」(electronicengineering)。當情況作出這區別,則「電機工程」與「電力工程」意義相同,是指和大能量的電力系統(像是電力傳輸、重型電機機械及電動機)相關,而「電子工程」則指處理小信號的電子系統(像是計算機和積體電路)。另一個區分的方法則是電力工程師著重在利用電力進行能源的傳輸,而電子工程師則是著重在利用電子訊號進行資訊的傳輸。
學科發展
電力最晚從17世紀初期便已是受到關心的科學主題。第一個電機工程師可能是首先設計出可以探測靜電存在驗電器的威廉·吉爾伯特(WilliamGilbert),他也是第一個清楚劃分磁力和靜電的相異性並創建主要相關辭彙的科學家。然而,相關的研究一直到19世紀才開始正式展開。這個世紀最值得一提的幾個發展分別是:1827年時由格奧爾格·歐姆(GeorgOhm)所發表的歐姆定律。他清楚的提出了電路分析中電流、電壓及電阻之間的基本關係;1831年的麥可·法拉第發現的電磁感應;詹姆斯·克拉克·麥克斯韋1873年所發表的麥克斯韋方程組及其創立的經典電動力學。
在發展初期,電機工程的研究大部分被歸類為物理學的一個分支領域,直到19世紀末許多大學開始設立電機工程學的學位為止。1882年時,德國的達姆施塔特工業大學(DarmstadtUniversityofTechnology)首先創立世界上第一個有教授及系主任職位的電機學系。1883年時達姆施塔特工業大學和康乃爾大學創立電機工程學系的第一批課程。1885年時,倫敦大學學院設立英國第一個電機學系。1886年時,密蘇里大學也在美國創立了第一個電機工程學系。
托馬斯·愛迪生創建世界第一個電力供應網路在這個草創年代裡,電機工程的進展有戲劇化的進展。1882年時,托馬斯·愛迪生打開了世界上第一個電力供應網路,提供給下曼哈頓地區59個用戶110伏特的直流電。1887年時,尼古拉·特斯拉申請了相當數量以交流電供應電力的專利。接下來的幾年內,特斯拉和愛迪生開始了一場所謂的“電流戰爭”來決定電源的提供方式。交流電最終取代了直流電的供應方式,也大大提升了電力的安全性和供應效率。
特斯拉和愛迪生的貢獻使電機工程學有長足的進展。特斯拉在感應馬達及多相系統大大影響接下來電力系統的發展,而愛迪生則是在電報系統和紙帶打點計時器上持續獲利(愛迪生的公司最後成為奇異公司)。而在19世紀退出時,許多電機工程的領域也開始合併。
電機工程分類
電力工程
主要是處理髮電、電力傳輸、電力網路及相關設備的設計。這些設備包括發電機、變壓器、電動機及電力電子等。在世界上許多地區,電力網路是由政府負責維護,並相互協調各個網路不同發電系統間的電力以提供用戶能源,用戶再各自跟不同範圍類的電力公司購買電力。電力工程師工作則在於設計及維護電力網路和如何與其他電力網路相連。
自動控制
自動控制主要著重於不同動態系統的系統建模以及控制器設計,使受控系統可以有所需的系統回響。而要設計控制器,工程師所必須理解的知識包括有電路學、數位訊號處理、單晶片電腦以及可程式邏輯控制器(ProgrammableLogicControllers,PLC)等等。自動控制學門的套用領域從飛行系統的操控到商用車輛的定速控制都可見到,且在工業的自動化技術也扮演舉足輕重的角色。
控制工程師通常利用反饋信號來設計控制系統的回響,舉例來說,在商用車輛的定速控制中,車行速度一直會被監控並傳回給控制器,並從而調整內燃機的動力輸出。只要有適當的反饋信號,控制工程師便可以運用控制理論來設計控制器,使受控系統有所需的輸出。
電子學
電子學是研究電子的特性和行為,以及電子器件的物理學科。電子學涉及很多的科學門類,包括,物理、化學、數學、材料科學等。電子技術則是套用電子學的原理設計和製造電路、電子器件來解決實際問題的科學。
1897年,約瑟夫·湯姆孫發現電子的存在,是電子學的濫觴,而從20世紀50年代半導體發現以來,IC(積體電路)在民生的廣泛套用,間接促進了計算機(電腦)的出現,使得人類的科技發展一日千里。電子學在20世紀的發展堪稱第二次的石器革命。
微電子學
微電子學是研究在固體(主要是半導體)材料上構成的微小化電路,子系統及系統的電子學分支。微電子學作為電子學的一門分支學科,主要是研究電子或離子在固體材料中的運動規律及其套用,並利用它實現信號處理功能的學科。微電子學是以實現電路和系統的集成為目的的。微電子學中實現的電路和系統又成為積體電路和集成系統,是微小化的;在微電子學中的空間尺寸通常是以微米(μm,1μm=10−6m)和納米(nm,1nm=10−9m)為單位的。
儀表與量測
儀表與量測通常是設計來測量諸如壓力、流量、溫度等等不同的物理量。設計不同的量測工具通常需要對物理及電磁學有深入的了解。舉例而言,雷達測速計乃是用都普勒效應來測量行進中車輛的速度。相同的,熱電偶是用熱電效應(或稱之為Peltier-Seebeck效應)來測量不同端點間的溫差。
基本上,量測儀器和感測器不同的地方是量測儀器通常自成系統,而感測器則是用在較大規模的電機系統中。舉例而言,熱電偶可能只是用在測量電爐中的維持定溫的溫度之用。因此,儀表與量測通常也被視為自動控制的另外一部分。
計算機工程
計算機工程通常是用於設計計算機或大型計算機系統的工程學,通常包括設計大量新式的硬件。小至個人數碼助理,大到利用電腦來控制工業生產線,都是屬於計算機工程的範疇。計算機工程除硬體外也必須了解計算機系統所使用的軟體。個人所使用的台式機可視為計算機系統的小型架構。另外,在目前市面上所常見電子遊戲機及DVD播放機都可包含計算機系統作為控制的中樞。