電機工程學：修订间差异

|1T=zh-hanscn:电动机气工程;zh-hktw:摩打電機工程學;zh-twhk:馬達電機工程學;

[[File:Power plant.jpg|right|thumb|200px|電機工程師所涵蓋的領域包括設計複雜的電力系統…]]

'''電機电气工程學'''是以[[電子學]]、[[電磁學]]等[[物理学]]分支为基础，涵盖[[電子學]]、[[電子計算機]]、[[電力工程]]、[[电信]]、[[控制工程]]、[[訊號處理]]、[[机械电子学]]等子领域的一門[[工程學]]。十九世紀後半期以來，隨著[[電報]]、[[電話]]、[[電能]]在供應與使用方面的商業化，該學科逐漸發展為相對獨立的專業領域。

電機工程廣義上涵蓋該領域的分支，但在有些地方，「電機电气工程學」（{{lang-en|Electrical Engineering}}）一詞的意義有時不包括「[[電子工程|電子工程學]]」（{{lang-en|Electronic Engineering}}）。這個情況下，「電機电气工程學」是指涉及到大能量的[[電力系統]]（如[[輸電系統|電能傳輸]]、重型[[電機機械]]及[[电动机]]），而「電子工程」則是指處理小信號的電子系統（如[[电子计算机|計算機]]和[[積體電路]]）。<ref>{{cite web | title = What is the difference between electrical and electronic engineering? | work = FAQs - Studying Electrical Engineering | url = http://www.ieee.org/portal/site/mainsite/menuitem.818c0c39e85ef176fb2275875bac26c8/index.jsp?&pName=corp_level1&path=education/faqs&file=faqs1.xml&xsl=generic.xsl | publisher = IEEE | accessdate = 2012-03-20 | deadurl = no | archiveurl = https://web.archive.org/web/20110930120857/http://www.ieee.org/portal/site/mainsite/menuitem.818c0c39e85ef176fb2275875bac26c8/index.jsp | archivedate = 2011-09-30 }}</ref>

為了確保當表述與應用電磁學理論時，在度量衡方面不會遭遇困難與誤解，擬定一套簡易與便利的度量衡標準單位显得尤为必要。對於這方面的研究促使國際標準單位的設定與採用，如[[伏特]]、[[安培]]、[[庫侖]]、[[法拉]]與[[亨利 (單位)|亨利]]。這一國際標準制度於1893年在[[芝加哥]]達成共識，<ref>{{Cite web|url=http://www.archive.org/details/proceedingsinte01chicgoog|title=国际电机工程学会议的纪录（1893年8月21日至25日）|year=1984|location=New York|publisher=American Institute of Electrical Engineers}}</ref>從而奠定了各種工業對於標準單位制度未來進步的基礎。很多國家即刻立法承認這些國際標準單位有效。<ref>{{Cite book|author=Tunbridge, Paul|title=Lord Kelvin: His Influence on Electrical Measurements and Units|url=https://archive.org/details/lordkelvinhisinf0000tunb|publisher=The Institution of Engineering and Technology|year=1991|isbn=978-0-86341-237-0}}</ref>

在這幾十年裏，電機工程學籠統地被歸類為[[物理學]]的一個分支領域。1882年，德國的[[達姆施塔特工業大學]]置立世界第一個電機工程學教授席位。同年，[[麻省理工學院]]物理系開始推出電機工程學方向的[[學士]]學位課程。<ref>{{cite web| title =MIT EECS Department Facts| publisher =MIT-EECS| url =http://www.eecs.mit.edu/about-us/mit-eecs-department-facts| accessdate =2013-01-01| deadurl =no| archiveurl =https://web.archive.org/web/20130128163120/http://www.eecs.mit.edu/about-us/mit-eecs-department-facts| archivedate =2013-01-28}}</ref><ref>{{cite book | author = Weber, Ernst | coauthorsauthor2 = Frederik Nebeker | title = The Evolution of Electrical Engineering: A Personal Perspective | publisher = IEEE Press | year = 1994 | isbn = 0-7803-1066-7 }}</ref>1883年，[[達姆施塔特工業大學]]建立電機系，成为全世界最先創建電機系的大學。<ref>{{cite web| title = A Brief Chronology of the TUD's Electrical Engineering Department| publisher = Darmstadt University of Technology - Electrical Engineering Department| url = http://www.etit.tu-darmstadt.de/fachbereich/profil/historie/index.en.jsp| accessdate = 2013-01-01| deadurl = no| archiveurl = https://web.archive.org/web/20140602025423/http://www.etit.tu-darmstadt.de/fachbereich/profil/historie/index.en.jsp| archivedate = 2014-06-02}}</ref>1885年，[[康乃爾大學]]成為美國最先建立電機系的大學。<ref>{{cite web | title = Welcome to ECE! | publisher = Cornell University - School of Electrical and Computer Engineering | url = http://www.ece.cornell.edu/ece/about/history.cfm | accessdate = 2013-01-01 | deadurl = no | archiveurl = https://web.archive.org/web/20130606163120/http://www.ece.cornell.edu/ece/about/history.cfm | archivedate = 2013-06-06 }}</ref>1885年，[[倫敦大學學院]]創立了英國首所「電機技術系」，第一任系主任為[[約翰·弗萊明]]，幾年後系名改為電機工程系。<ref>{{cite web | title =A History of the Department From 1885 to the present day | publisher =University College London -UCL DEPARTMENT OF ELECTRONIC & ELECTRICAL ENGINEERING | url =http://www.ee.ucl.ac.uk/about/history | accessdate =2013-01-01 | deadurl =no | archiveurl =https://web.archive.org/web/20121206083909/http://www.ee.ucl.ac.uk/about/history | archivedate =2012-12-06 }}</ref>1886年，[[密蘇里大學]]也建立了電機工程系，据一些文獻所述，密蘇里大學正是最先建立電機工程系的美國大學<ref>{{cite book | author = Ryder, John | coauthorsauthor2 =Donald G. Fink | title = Engineers and Electrons | url = https://archive.org/details/engineerselectro0000ryde | publisher = IEEE Press | year = 1984 | isbn = 0-87942-172-X }}</ref>很快地，包括[[喬治亞理工學院]]在內的許多大學都仿效之設立電機工程系。

1897年時，[[卡爾·布勞恩]]開始将[[陰極射線管]]裝配於[[示波器]]中，之後陰極射線管也成為[[電視機]]的關鍵零組件<ref>{{cite web | title = Karl Ferdinand Braun | url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1909/braun-bio.html | publisher = Nobelprize.org | accessdate = 2013-01-08 | deadurl = no | archiveurl = https://web.archive.org/web/20130204130541/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1909/braun-bio.html | archivedate = 2013-02-04 }}</ref>。1904年時，[[約翰·弗萊明]]首先發明[[二極管]]，兩年後，[[羅伯特·凡李本]]（Robert von Lieben）和[[李·德富雷斯特]]也分別獨立發明出一種能夠放大電流的真空管——[[三極體]]（又稱「放大管」）<ref>{{cite web | title = History of Amateur Radio | work = What is Amateur Radio? | url = http://www.amateurradio.uni-halle.de/hamradio.en.html | publisher = Amateur Radio | accessdate = 2013-01-08 | deadurl = noyes | archiveurl = https://web.archive.org/web/20130129230044/http://www.amateurradio.uni-halle.de/hamradio.en.html | archivedate = 2013-01-29 }}</ref>。

1895年，[[古列爾莫·馬可尼]]进一步改良了赫茲的無線電传送方法，將無線電訊號傳送距離延長到1.5英里（2.4公里）。1901年12月，為了要證實他已掌握到更先進的傳送無線電波的科技，能夠完全不受到地球曲度影響，他從英國[[康沃爾郡]]發射站發射出無線電訊號，穿越[[大西洋]]上空，在大西洋的另一邊，加拿大[[紐芬蘭島|紐芬蘭]][[聖約翰斯 (紐芬蘭-拉布拉多)|聖約翰斯]]，居然收到了訊號，兩處之間距離為{{convert|2100|mi|km}}！<ref>{{Cite web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1909/marconi-bio.html|title=Marconi's biography|publisher=Nobelprize.org|accessdate=2008-06-21|deadurl=no|archiveurl=http://archive.wikiwix.com/cache/20110224031241/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1909/marconi-bio.html|archivedate=2011-02-24}}</ref>1920年時，[[阿爾伯特·赫耳]]（Albert Hull）發明了可生成[[微波]]的真空管——[[磁控管]]（magnetron）。1945年[[波西·斯本色]]（Percy Spencer）进而以此成功開發出[[微波爐]]<ref>{{cite web | title = Albert W. Hull | publisher = IEEE History Center | url = http://www.ieee.org/documents/proc_scanpast0410.pdf | accessdate = 2006-01-22 | deadurl = yes | archiveurl = https://web.archive.org/web/20160411230932/http://www.ieee.org/documents/proc_scanpast0410.pdf | archivedate = 2016年4月11日 | df = }}</ref><ref>{{cite web| url =http://www.microwaves101.com/encyclopedias/history-of-the-microwave-oven| title =History of the Microwave Oven| website =Microwaves101.com| deadurl =no| archiveurl =https://web.archive.org/web/20160322194437/http://www.microwaves101.com/encyclopedias/history-of-the-microwave-oven| archivedate =2016-03-22}}</ref>。1934年，在[[哈利·溫佩利斯]]（Harry Wimperis）的指導下，英國陸軍開始利用[[微波]]科技來開發[[雷達]]，在[[鮑德希]]（Bawdsey）成立第一座雷達站，並於1936年8月開始運作<ref>{{cite web | title = Early Radar History | work = Peneley Radar Archives | url = http://www.penleyradararchives.org.uk/history/introduction.htm | publisher = Penley Radar Archives | accessdate = 2013-01-08 | deadurl = noyes | archiveurl = https://web.archive.org/web/20081201090207/http://www.penleyradararchives.org.uk/history/introduction.htm | archivedate = 2008-12-01 }}</ref>。

1958年[[傑克·基爾比]]和1959年[[羅伯特·諾伊斯]]分別獨立發明[[積體電路]]<ref>{{cite web | title = Electronics Timeline | work = Greatest Engineering Achievements of the Twentieth Century | url = http://www.greatachievements.org/?id=3956 | publisher = Great Achievements | accessdate = 2013-01-08 | deadurl = noyes | archiveurl = https://web.archive.org/web/20130109040418/http://www.greatachievements.org/?id=3956 | archivedate = 2013-01-09 }}</ref>。應用積體電路技術，可以把大量微電晶體整合到一個小晶片上，为[[微處理器]]的出現提供了可能性。[[英特爾公司]]在1971年推出的[[Intel 4004]]微處理器是全球第一款[[微處理器]]，是由[[馬辛·霍弗]]（Marcian Hoff）與他的團隊共同設計實現而成，能執行4[[位元]]運算。1973年，英特爾公司又設計成功八位元微處理器[[Intel 8080]]，第一部個人電腦[[Altair 8800]]的內部就配置了一顆[[Intel 8080]]。<ref>{{cite web | title = Computing History (1971–1975) | url = http://mbinfo.mbdesign.net/1971-75.htm | publisher = MB Design | accessdate = 2013-01-08 | deadurl = noyes | archiveurl = https://web.archive.org/web/20130531071341/http://mbinfo.mbdesign.net/1971-75.htm | archivedate = 2013-05-31 }}</ref>目前单个[[超大规模集成电路]]芯片能够集成超过1,000,000个晶体管。<ref>{{cite web|title=Developments in VLSI|url=http://www.eng.auburn.edu/~strouce/class/elec6250/vlsi_intro.pdf|publisher=Auburn University|accessdate=2013-01-06|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20131008090408/http://www.eng.auburn.edu/~strouce/class/elec6250/vlsi_intro.pdf|archivedate=2013-10-08}}</ref>

有的电机工程师选择在毕业后继续进行研究生阶段的学习，争取获得研究生学位，例如[[工程硕士]]（{{lang|en|Master of Engineering}}）、[[理学硕士]]，或攻读[[哲学博士]]、[[工程博士]]（{{lang|en|Engineering Doctorate}}）学位。电机工程学的硕士课程由课程作业、[[研究]]二者或二者之一构成。而博士课程则更侧重专题的研究，经常被视为是電機工程師[[学术]]生涯的起点。在英国和一些欧洲国家，工程硕士的学习经常被认为是本科学位的一个较小延伸，而不是严格意义上的研究生学习。<ref>{{Cite web|url=http://www.ecm.uwa.edu.au/students/study-guides-2012/be-elec-mech|publisher=University of Western Australia|title=Bachelor of Engineering (Electrical) and Bachelor of Engineering (Mechanical) Study Guide|accessdate=2013-01-08|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20121203212400/http://www.ecm.uwa.edu.au/students/study-guides-2012/be-elec-mech|archivedate=2012-12-03}}</ref><ref>{{Cite web|url=http://www.queensu.ca/calendars/appsci/pg219.html|title=The Faculty of Engineering and Applied Science Calendar|publisher=Queens University|accessdate=2013-01-08|deadurl=noyes|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120804025330/http://www.queensu.ca/calendars/appsci/pg219.html|archivedate=2012-08-04}}</ref>

在不同的地区，专业认证都会给工程师带来不同程度的好处。例如，在美国和加拿大，只有认证工程师可以簽發公共或私人的工程项目。<ref>{{cite web|title=Why Should You Get Licensed? |publisher=National Society of Professional Engineers |url=http://www.nspe.org/lc1-why.asp |accessdate=2013-01-08 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20050604085233/http://www.nspe.org/lc1-why.asp |archivedate=2005-06-04 |deadurl=yes }}</ref>在很多國家，政府機構在州、省的法律中作出这一規定，例如《[[魁北克]]工程师法案》（{{lang|en|''Quebec's Engineers Act''}}）。<ref>{{cite web | title = Engineers Act | publisher = Quebec Statutes and Regulations (CanLII) | url = http://www2.publicationsduquebec.gouv.qc.ca/dynamicSearch/telecharge.php?type=2&file=//I_9/I9_A.htm | accessdate = 2005-07-24 | archive-date = 2021-05-17 | archive-url = https://web.archive.org/web/20210517124824/http://www2.publicationsduquebec.gouv.qc.ca/dynamicSearch/telecharge.php?type=2&file=%2F%2FI_9%2FI9_A.htm }}</ref>在其他的一些国家，则可能并没有这样的强制規定。不过大多数专业认证机构都设置了一系列规章制度以约束工程师，若违反則很有可能被開除。<ref>{{cite web | title = Codes of Ethics and Conduct | work = Online Ethics Center | url = http://onlineethics.org/CMS/profpractice/ethcodes.aspx | publisher = Online Ethics | accessdate = 2005-07-24 | deadurl = noyes | archiveurl = https://web.archive.org/web/20070630042601/http://onlineethics.org/CMS/profpractice/ethcodes.aspx | archivedate = 2007-06-30 }}</ref>这样，行业组织就在工程师专业领域的规范化、标准化方面扮演了重要角色。但是，即使在专业认证管轄範圍之外的工作部分，工程师仍然必須遵守工作的[[契约|合同]]。在有些情况里，工程师的工作失败可能会被视为[[过失]]甚至玩忽职守。他们在工作时还必须考虑工程在环境保护方面的影响，并遵從现有的法律法规。

电机工程学的基础是[[物理学]]和[[数学]]，这两个基础学科帮助工程师获得电系统工作情况的定量、定性描述。如今，大多数工程学科都涉及[[电子计算机|计算机]]的使用，[[计算机辅助设计]]在电系统的设计和测试中亦十分普遍。尽管如此，对于工程师来说，拟定最初想法仍然是至关重要的。

对于许多电机工程师，技术工作只是他们日常工作的一部分，他们常常还会与客户进行讨论，规划[[财政而预算案|项目而预算]]和项目进度。<ref name=really/>而许多高级工程师则会负责管理一个[[技术员|技术]]团队，对于他们来说，[[项目管理]]能力相当重要。许多工厂技术项目会涉及到多种文档的记录和编写，因而良好的写作、交流能力同样不可忽视。电机工程师的工作环境根据他们的专业侧重而有所区别。

电力电子学主要涉及[[电能]]的[[发电|生成]]、[[输电系统|输送]]、[[配电系统|配送]]几个步骤，以及一些相关设备的设计。这些设备包括[[交流電|交流]]-[[直流電|直流]]转换器（[[整流器]]、[[斩波器]]、[[变频器]]和[[逆變变器]]）、[[变压器]]、[[发电机]]、[[继电器]]、特殊[[高压电]]等应用技术产品及其他电力电子学器件。大多数政府會投資建設并维护[[輸電網路]]系统，以将各个大型发电机和各地電能用户连接起来。用户通过将电器连接到电网，就可以以商品的形式获得电能，而不需要自己购买发电机發電。电力电子工程师的工作主要是设计和维护电网及相連的電力系统。這種“上網”设施會给予电网额外的電能，或者會消耗电能，或者兼具這兩種運作能力。另外有一类被称为“下網”的电力系统则在某些情况下优于“上網”系统，例如，在不能夠連接到電網的行駛車輛上。使用卫星控制电力系统是电力电子学研究的方向之一，凭借实时反馈系统，它可以避免-{A|;zh-cn:功率波动;zh-tw:電力突波;}-、降低停电事故的概率。例如，中国的[[北斗卫星导航系统]]为电力系统的自动化调度、故障录波器、继电保护、监控系统以及发电厂机组自动控制提供了一个统一授时系统，使各个子系统能够依照准确、统一的时间标准稳定工作。<ref>{{Cite journal|author=汪洋，赵宏波，刘春梅，陈喆，滕玲，卢利峰|title=北斗卫星同步系统在电力系统中的应用|journal=电力系统通信|year=2011|volume=32|issue=1}}</ref><ref>{{Cite journal|author=姜彤，艾琳，杨以涵|title=北斗导航系统及其在电力系统中的应用|journal=华东电力|year=2009|volume=37|issue=4}}</ref>

电子工程的范畴涵盖了对由[[電阻器]]、[[電容器]]、[[電感器]]、[[二極管]]、[[電晶體]]等电子元件構成的[[电子电路]]的设计与测试。基本的[[模拟电路]]、[[数字电路]]是构成任何现代电子信息系统的基本元素。<ref>{{cite book|publisher=高等教育出版社|author=童诗白、华成英|title=模拟电子技术基础（第四版）|year=2006|url=https://archive.org/details/monidianzijishuj0001unse|isbn=978-7-04-018922-3|page=[https://archive.org/details/monidianzijishuj0001unse/page/3 3]-5}}</ref>

在第二次世界大战之前，電子工程的研究范围只是侷限於各種通信技术、[[雷达]]、[[無線電|商用無線電]]以及早期的[[电视机]]技术。战后，随着消费性電子器件开始被发展，这一领域也快速扩展到现代电视机、无线电系统、[[电子计算机|计算机]]和[[微处理器]]。在1950年代下半叶，“电子工程”这个术语逐渐取代了“无线电工程”。

微电子器件的制造工艺流程需要对[[硅]]（在高頻率場合則需要用到[[砷化镓]]、[[磷化铟]]（indium phosphide）等化合物半导体）[[晶圆]]进行物理、化学加工，以使之可以提供理想的電荷傳輸與电流控制（在微电子学中，并非越高越好）。在研究这些制造工艺时，需要许多化学、材料科学方面的知识，而且必须考虑电子在低特征尺寸下的[[量子力学]]效应。基础的半导体器件包括[[二极管]]、[[双极性晶体管]]、[[金屬氧化物半導體場效電晶體]]和[[金属半导体场效应管]]等。<ref>{{Cite book|title=Semiconductor Devices: Physics and Technology, 2nd edition|url=https://archive.org/details/semiconductordev0000szes|author=S. M. Sze|location=New York|publisher=Wiley|year=2001|isbn=0-471-33372-7}}</ref>

控制系统通常需要从外部获取信息，并给予外界一定的控制信号。仍以汽车为例，巡航定速系统需要使用速度传感器或速度仪表来监视汽车的运动状态，然后将此信息传递给中央处理器，中央处理器则根据驾驶者而预先设定的目标速度和当前速度的差异来决定发动机工作的状态。因此，测量技术是控制工程的一个重要的组成部分，只是它更关注物理量的提取。目前，测量技术正向着小型化、快速化发展，其精度也不断提高。<ref>{{Cite book|author=陶红艳，余成波|title=传感器与现代检测技术|publisher=清华大学出版社|location=北京|year=2009|isbn=978-7-302-18219-1|page=1-4}}</ref>

计算机工程主要是指[[电子计算机|计算机]]和计算机系统的设计。它包含了计算机硬件、便携式电子产品、[[超级计算机]]等的设计。计算机工程还涉及了硬件系统的[[软件]]。然而，计算机工程通常不涉及那些与硬件关联较小的应用软件设计，那些部分通常被视为[[软件工程]]的范畴。随着计算机工程的发展，[[特殊應用積體電路]]和[[系统芯片]]等[[集成电路]]的[[超大规模集成电路|集成规模]]不断提高，功能也不断增强。

術語「機械電子」通常指的是宏觀系統。但是，[[未來學]]專家預言，不久的將來，微小機電器件會像雨後春筍般涌现。就某種程度而言，這預言已經開始實現。在汽車裏已裝配了高功能[[微機電系統]]，它能夠感測撞擊，從讀取的數據做決定，告訴[[安全氣囊]]是否應該開始膨脹。[[噴墨印表機]]倚靠微機電系統來達成高解析度印表任務。工程師希望研究出更先進的微機電科技，以製成極小的植入式醫療器材，或者改良[[光開關]]科技。<ref>{{cite web|title=MEMS the world! |work=IntelliSense Software Corporation |url=http://www.intellisensesoftware.com/Technology.html |accessdate=17 July 2005 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20050317085002/http://www.intellisensesoftware.com/Technology.html |archivedate=17 三月 2005 -03-17|deadurl=yes }}</ref>

{{Reflist|230em}}