Электротехника: Обзор и области применения

Введение

Электротехника – это инженерная дисциплина, посвященная изучению, проектированию и применению оборудования, устройств и систем, использующих электричество, электронику и электромагнетизм. Она оформилась как самостоятельная профессия во второй половине XIX века после коммерциализации электрического телеграфа, телефона, а также генерации, передачи и использования электрической энергии. Электротехника подразделяется на широкий спектр различных областей, включая компьютерную инженерию, системную инженерию, энергетику, телекоммуникации, радиочастотную инженерию, обработку сигналов, приборостроение, фотоэлектрические элементы, электронику, оптику и фотонику. Многие из этих дисциплин пересекаются с другими инженерными направлениями, охватывая огромное количество специализаций, таких как аппаратное обеспечение, силовая электроника, электромагнетизм и волны, микроволновая техника, нанотехнологии, электрохимия, возобновляемые источники энергии, мехатроника/управление и материаловедение в электротехнике. Обычно электротехники имеют степень бакалавра в области электротехники, электроники или электротехники и электроники. Действующие инженеры могут иметь профессиональную сертификацию и быть членами профессиональных организаций или международных организаций по стандартизации, таких как Международная электротехническая комиссия (МЭК), Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) и Институт инженерии и технологий (IET, ранее IEE). Электротехники работают в самых разных отраслях, и требуемые навыки также весьма разнообразны – от теории электрических цепей до навыков управления проектами. Инструменты и оборудование, необходимые инженеру, также могут сильно различаться, от простого вольтметра до сложного программного обеспечения для проектирования и производства.

История

Электричество было предметом научного интереса, по крайней мере, с начала XVII века. Уильям Гильберт был выдающимся ученым, занимавшимся изучением электричества, и первым, кто провел четкое различие между магнетизмом и статическим электричеством. Ему приписывают введение термина "электричество". Он также сконструировал версорий – прибор для обнаружения статически заряженных объектов. В 1762 году шведский профессор Йохан Вильке изобрел устройство, впоследствии названное электрофором, которое позволяло получать статический электрический заряд. К 1800 году Алессандро Вольта разработал вольтаический столб, являющийся предшественником электрической батареи.

19 век

В XIX веке исследования в этой области стали более интенсивными. В этом столетии следует отметить работы Ханса Кристиана Эрстеда, который в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле, отклоняющее стрелку компаса; Уильяма Старджона, изобретшего в 1825 году электромагнит; Джозефа Генри и Эдварда Дэви, создавших в 1835 году электрический реле; Георга Ома, который в 1827 году количественно определил зависимость между электрическим током и разностью потенциалов в проводнике; Майкла Фарадея, открывшего в 1831 году явление электромагнитной индукции; и Джеймса Клерка Максвелла, опубликовавшего в 1873 году единую теорию электричества и магнетизма в своем трактате «Электричество и магнетизм». В 1782 году Жорж Луи Лесаж разработал и продемонстрировал в Берлине, вероятно, первую в мире систему электрической телеграфии, использовав 24 различных провода, по одному для каждой буквы алфавита. Этот телеграф соединял две комнаты. Это был электростатический телеграф, перемещавший золотую фольгу посредством электрической проводимости. В 1795 году Франсиско Сальва Кампильо предложил электростатическую телеграфную систему. В период с 1803 по 1804 год он работал над электрической телеграфией и в 1804 году представил свой отчет в Королевской академии естественных наук и искусств Барселоны. Электролитная телеграфная система Сальвы была весьма новаторской, хотя и находилась под сильным влиянием и основывалась на двух открытиях, сделанных в Европе в 1800 году: электрической батарее Алессандро Вольта для генерации электрического тока и электролизе воды, осуществленном Уильямом Николсоном и Энтони Карлайлом. Электрическую телеграфию можно считать первым примером электротехники. Электротехника стала профессией в конце XIX века. Специалисты создали глобальную электрическую телеграфную сеть, и первые профессиональные институты электротехники были основаны в Великобритании и США для поддержки новой дисциплины. Фрэнсис Рональдс создал электрическую телеграфную систему в 1816 году и задокументировал свое видение того, как электричество может преобразить мир. Более чем через 50 лет он присоединился к новому Обществу инженеров-телеграфистов (вскоре переименованному в Институт инженеров-электриков), где другие члены считали его первым в их рядах. К концу XIX века мир навсегда изменился благодаря быстрому обмену информацией, ставшему возможным благодаря инженерным разработкам в области наземных линий связи, подводных кабелей и, начиная с 1890 года, беспроводной телеграфии. Практическое применение и достижения в этих областях создали растущую потребность в стандартизированных единицах измерения, что привело к международной стандартизации единиц вольт, ампер, кулон, ом, фарад и генри. Это было достигнуто на международной конференции в Чикаго в 1893 году. Публикация этих стандартов заложила основу для дальнейших достижений в области стандартизации в различных отраслях промышленности, и во многих странах определения были немедленно закреплены в соответствующем законодательстве. В эти годы изучение электричества в значительной степени рассматривалось как подраздел физики, поскольку ранние электрические технологии носили электромеханический характер. Технический университет Дармштадта основал первый в мире факультет электротехники в 1882 году и ввел первую учебную программу по электротехнике в 1883 году. Первая программа получения степени в области электротехники в Соединенных Штатах была начата в Массачусетском технологическом институте (MIT) на факультете физики под руководством профессора Чарльза Кросса, хотя именно Корнеллский университет в 1885 году выпустил первых в мире выпускников по специальности электротехника. Первый курс по электротехнике был прочитан в 1883 году в Сиблийском колледже машиностроения и механических искусств Корнелла. Около 1885 года президент Корнеллского университета Эндрю Диксон Уайт основал первый в США факультет электротехники. В том же году в Университетском колледже Лондона была основана первая кафедра электротехники в Великобритании. Профессор Менделл П. Вайнбах в Университете Миссури основал факультет электротехники в 1886 году. Впоследствии университеты и технологические институты постепенно начали предлагать программы по электротехнике своим студентам по всему миру. В течение этих десятилетий использование электротехники резко возросло. В 1882 году Томас Эдисон включил первую в мире крупномасштабную электрическую сеть, которая обеспечивала 110 вольт постоянного тока (DC) для 59 клиентов на острове Манхэттен в Нью-Йорке. В 1884 году сэр Чарльз Парсонс изобрел паровую турбину, обеспечившую более эффективную выработку электроэнергии. Переменный ток, с его способностью более эффективно передавать энергию на большие расстояния с помощью трансформаторов, быстро развивался в 1880-х и 1890-х годах благодаря конструкциям трансформаторов, разработанным Кароли Зиперновским, Отто Блати и Миксой Дери (позже известные как трансформаторы ZBD), Люсьеном Голаром, Джоном Диксоном Гиббсом и Уильямом Стенли-младшим. Практичные конструкции асинхронных двигателей переменного тока были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой и далее развиты в практичную трехфазную форму Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном. Чарльз Штайнмец и Оливер Хевисайд внесли вклад в теоретическую основу электротехники переменного тока. Распространение использования переменного тока вызвало в Соединенных Штатах так называемую «войну токов» между системой переменного тока, поддерживаемой Джорджем Вестингаузом, и системой постоянного тока, поддерживаемой Томасом Эдисоном, в результате чего переменный ток был принят в качестве общего стандарта.

In the 19th century, research into the subject started to intensify. Notable developments in this century include the work of Hans Christian Ørsted, who discovered in 1820 that an electric current produces a magnetic field that will deflect a compass needle; of William Sturgeon, who in 1825 invented the electromagnet; of Joseph Henry and Edward Davy, who invented the electrical relay in 1835; of Georg Ohm, who in 1827 quantified the relationship between the electric current and potential difference in a conductor; of Michael Faraday, the discoverer of electromagnetic induction in 1831; and of James Clerk Maxwell, who in 1873 published a unified theory of electricity and magnetism in his treatise Electricity and Magnetism. In 1782, Georges Louis Le Sage developed and presented in Berlin probably the world's first form of electric telegraphy, using 24 different wires, one for each letter of the alphabet. This telegraph connected two rooms. It was an electrostatic telegraph that moved gold leaf through electrical conduction. In 1795, Francisco Salva Campillo proposed an electrostatic telegraph system. Between 1803 and 1804, he worked on electrical telegraphy, and in 1804, he presented his report at the Royal Academy of Natural Sciences and Arts of Barcelona. Salva's electrolyte telegraph system was very innovative though it was greatly influenced by and based upon two discoveries made in Europe in 1800—Alessandro Volta's electric battery for generating an electric current and William Nicholson and Anthony Carlyle's electrolysis of water. Electrical telegraphy may be considered the first example of electrical engineering. Electrical engineering became a profession in the later 19th century. Practitioners had created a global electric telegraph network, and the first professional electrical engineering institutions were founded in the UK and the US to support the new discipline. Francis Ronalds created an electric telegraph system in 1816 and documented his vision of how the world could be transformed by electricity. Over 50 years later, he joined the new Society of Telegraph Engineers (soon to be renamed the Institution of Electrical Engineers) where he was regarded by other members as the first of their cohort. By the end of the 19th century, the world had been forever changed by the rapid communication made possible by the engineering development of land lines, submarine cables, and, from about 1890, wireless telegraphy. Practical applications and advances in such fields created an increasing need for standardized units of measure. They led to the international standardization of the units volt, ampere, coulomb, ohm, farad, and henry. This was achieved at an international conference in Chicago in 1893. The publication of these standards formed the basis of future advances in standardization in various industries, and in many countries, the definitions were immediately recognized in relevant legislation. During these years, the study of electricity was largely considered to be a subfield of physics since early electrical technology was considered electromechanical in nature. The Technische Universität Darmstadt founded the world's first department of electrical engineering in 1882 and introduced the first degree course in electrical engineering in 1883. The first electrical engineering degree program in the United States was started at Massachusetts Institute of Technology (MIT) in the physics department under Professor Charles Cross, though it was Cornell University to produce the world's first electrical engineering graduates in 1885. The first course in electrical engineering was taught in 1883 in Cornell's Sibley College of Mechanical Engineering and Mechanic Arts. In about 1885, Cornell President Andrew Dickson White established the first Department of Electrical Engineering in the United States. In the same year, University College London founded the first chair of electrical engineering in Great Britain. Professor Mendell P. Weinbach at University of Missouri established the electrical engineering department in 1886. Afterwards, universities and institutes of technology gradually started to offer electrical engineering programs to their students all over the world. During these decades the use of electrical engineering increased dramatically. In 1882, Thomas Edison switched on the world's first large scale electric power network that provided 110 volts—direct current (DC)—to 59 customers on Manhattan Island in New York City. In 1884, Sir Charles Parsons invented the steam turbine allowing for more efficient electric power generation. Alternating current, with its ability to transmit power more efficiently over long distances via the use of transformers, developed rapidly in the 1880s and 1890s with transformer designs by Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy and Miksa Déri (later called ZBD transformers), Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs and William Stanley, Jr. Practical AC motor designs including induction motors were independently invented by Galileo Ferraris and Nikola Tesla and further developed into a practical three phase form by Mikhail Dolivo Dobrovolsky and Charles Eugene Lancelot Brown. Charles Steinmetz and Oliver Heaviside contributed to the theoretical basis of alternating current engineering. The spread in the use of AC set off in the United States what has been called the war of the currents between a George Westinghouse backed AC system and a Thomas Edison backed DC power system, with AC being adopted as the overall standard.

Начало XX века

Во время разработки радио многие ученые и изобретатели внесли свой вклад в радиотехнологии и электронику. Математические работы Джеймса Клерка Максвелла в 1850-х годах показали взаимосвязь различных форм электромагнитного излучения, включая возможность существования невидимых воздушных волн (позднее названных "радиоволнами"). В своих классических физических экспериментах 1888 года Генрих Герц доказал теорию Максвелла, передавая радиоволны с помощью искрового передатчика и обнаруживая их с помощью простых электрических приборов. Другие физики экспериментировали с этими новыми волнами и в процессе разработали устройства для их передачи и приема. В 1895 году Гульельмо Маркони приступил к работе над адаптацией известных методов передачи и приема этих "герцианских волн" для создания специализированной коммерческой беспроводной телеграфной системы. Вначале ему удалось передавать сигналы на расстояние в полторы мили. В декабре 1901 года он передал беспроводные волны, которые не подвергались искажению из-за кривизны Земли. Позже Маркони осуществил беспроводную передачу сигналов через Атлантический океан между Полдху (Корнуолл) и Сент-Джонс (Ньюфаундленд) на расстоянии 2100 миль (3380 км). Исследования миллиметрового диапазона волн впервые были проведены Джагадишем Чандрой Босом в 1894–1896 годах, когда в своих экспериментах он достиг чрезвычайно высокой частоты до 60 ГГц. Он также внедрил использование полупроводниковых переходов для обнаружения радиоволн, запатентовав радиокристаллический детектор в 1901 году. В 1897 году Карл Фердинанд Браун представил электронно-лучевую трубку как часть осциллографа – важнейшей технологии для электронного телевидения. Джон Флеминг изобрел первую вакуумную лампу, диод, в 1904 году. Два года спустя Роберт фон Либен и Ли де Форест независимо друг от друга разработали лампу-усилитель, названную триодом. В 1920 году Альберт Халл разработал магнитрон, который впоследствии, в 1946 году, привел к созданию микроволновой печи Перси Спенсером. В 1934 году британские военные начали активную разработку радиолокационных систем (также использующих магнитрон) под руководством доктора Уимпериса, что завершилось в августе 1936 года вводом в эксплуатацию первой радиолокационной станции в Баудси. В 1941 году Конрад Цузе представил Z3 – первый в мире полностью функциональный и программируемый компьютер, построенный на электромеханических компонентах. В 1943 году Томми Флауэрс спроектировал и построил Colossus – первый в мире полностью функциональный, электронный, цифровой и программируемый компьютер. В 1946 году появился ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Джона Преспера Эккерта и Джона Мокли, положивший начало эре вычислительной техники. Вычислительные возможности этих машин позволили инженерам разрабатывать совершенно новые технологии и достигать новых целей. В 1948 году Клод Шеннон опубликовал работу "Математическая теория связи", в которой математически описывается передача информации в условиях неопределенности (электрического шума).

During the development of radio, many scientists and inventors contributed to radio technology and electronics. The mathematical work of James Clerk Maxwell during the 1850s had shown the relationship of different forms of electromagnetic radiation including the possibility of invisible airborne waves (later called "radio waves"). In his classic physics experiments of 1888, Heinrich Hertz proved Maxwell's theory by transmitting radio waves with a spark gap transmitter, and detected them by using simple electrical devices. Other physicists experimented with these new waves and in the process developed devices for transmitting and detecting them. In 1895, Guglielmo Marconi began work on a way to adapt the known methods of transmitting and detecting these "Hertzian waves" into a purpose built commercial wireless telegraphic system. Early on, he sent wireless signals over a distance of one and a half miles. In December 1901, he sent wireless waves that were not affected by the curvature of the Earth. Marconi later transmitted the wireless signals across the Atlantic between Poldhu, Cornwall, and St. John's, Newfoundland, a distance of 2100 mile (3380 km). Millimetre wave communication was first investigated by Jagadish Chandra Bose during 18941896, when he reached an extremely high frequency of up to 60GHz in his experiments. He also introduced the use of semiconductor junctions to detect radio waves, when he patented the radio crystal detector in 1901. In 1897, Karl Ferdinand Braun introduced the cathode ray tube as part of an oscilloscope, a crucial enabling technology for electronic television. John Fleming invented the first radio tube, the diode, in 1904. Two years later, Robert von Lieben and Lee De Forest independently developed the amplifier tube, called the triode. In 1920, Albert Hull developed the magnetron which would eventually lead to the development of the microwave oven in 1946 by Percy Spencer. In 1934, the British military began to make strides toward radar (which also uses the magnetron) under the direction of Dr Wimperis, culminating in the operation of the first radar station at Bawdsey in August 1936. In 1941, Konrad Zuse presented the Z3, the world's first fully functional and programmable computer using electromechanical parts. In 1943, Tommy Flowers designed and built the Colossus, the world's first fully functional, electronic, digital and programmable computer. In 1946, the ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) of John Presper Eckert and John Mauchly followed, beginning the computing era. The arithmetic performance of these machines allowed engineers to develop completely new technologies and achieve new objectives. In 1948, Claude Shannon published "A Mathematical Theory of Communication" which mathematically describes the passage of information with uncertainty (electrical noise).

Твердоэлектроника

Первым рабочим транзистором был точечный контактный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном, работая под руководством Уильяма Шокли в Bell Telephone Laboratories (BTL) в 1947 году. Затем они изобрели биполярный транзистор в 1948 году. Хотя ранние транзисторы с переходом были относительно громоздкими устройствами, которые было сложно производить массово, они открыли путь для создания более компактных устройств. Первыми интегральными схемами были гибридная интегральная схема, изобретенная Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, и монолитный чип интегральной схемы, изобретенный Робертом Нойсом в Fairchild Semiconductor в 1959 году. MOSFET (транзистор полевого эффекта металл-оксид-полупроводник, или транзистор MOS) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в BTL в 1959 году. Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого спектра применений, став самым широко используемым электронным устройством в мире. MOSFET сделал возможным создание интегральных схем высокой плотности. Технология MOS позволила реализовать закон Мура – удвоение количества транзисторов на интегральной схеме каждые два года, предсказанное Гордоном Муром в 1965 году. Технология MOS с кремниевым затвором была разработана Федерико Фаггином в Fairchild в 1968 году. С тех пор MOSFET является основным строительным блоком современной электроники. Массовое производство кремниевых MOSFET и интегральных схем MOS, а также непрерывная миниатюризация MOSFET в экспоненциальном темпе (в соответствии с законом Мура), привели к революционным изменениям в технологиях, экономике, культуре и мышлении. Программа "Аполлон", кульминацией которой стала высадка астронавтов на Луну с "Аполлоном-11" в 1969 году, стала возможной благодаря внедрению НАСА достижений в области полупроводниковой электроники, включая MOSFET в Межпланетной мониторинговой платформе (IMP) и кремниевые интегральные схемы в компьютере управления полетом "Аполлон" (AGC). Развитие технологии интегральных схем MOS в 1960-х годах привело к изобретению микропроцессора в начале 1970-х годов. Первым микропроцессором на одном чипе был Intel 4004, выпущенный в 1971 году. Микропроцессор способствовал развитию микрокомпьютеров и персональных компьютеров, а также микрокомпьютерной революции.

The first working transistor was a point contact transistor invented by John Bardeen and Walter Houser Brattain while working under William Shockley at the Bell Telephone Laboratories (BTL) in 1947. They then invented the bipolar junction transistor in 1948. While early junction transistors were relatively bulky devices that were difficult to manufacture on a mass production basis, they opened the door for more compact devices. The first integrated circuits were the hybrid integrated circuit invented by Jack Kilby at Texas Instruments in 1958 and the monolithic integrated circuit chip invented by Robert Noyce at Fairchild Semiconductor in 1959. The MOSFET (metal–oxide–semiconductor field effect transistor, or MOS transistor) was invented by Mohamed Atalla and Dawon Kahng at BTL in 1959. It was the first truly compact transistor that could be miniaturised and mass produced for a wide range of uses. becoming the most widely used electronic device in the world. The MOSFET made it possible to build high density integrated circuit chips. MOS technology enabled Moore's law, the doubling of transistors on an IC chip every two years, predicted by Gordon Moore in 1965. Silicon gate MOS technology was developed by Federico Faggin at Fairchild in 1968. Since then, the MOSFET has been the basic building block of modern electronics. The mass production of silicon MOSFETs and MOS integrated circuit chips, along with continuous MOSFET scaling miniaturization at an exponential pace (as predicted by Moore's law), has since led to revolutionary changes in technology, economy, culture and thinking. The Apollo program which culminated in landing astronauts on the Moon with Apollo 11 in 1969 was enabled by NASA's adoption of advances in semiconductor electronic technology, including MOSFETs in the Interplanetary Monitoring Platform (IMP) and silicon integrated circuit chips in the Apollo Guidance Computer (AGC). The development of MOS integrated circuit technology in the 1960s led to the invention of the microprocessor in the early 1970s. The first single chip microprocessor was the Intel 4004, released in 1971. The microprocessor led to the development of microcomputers and personal computers, and the microcomputer revolution.

Подполя

Одно из свойств электричества состоит в том, что оно очень эффективно для передачи как энергии, так и информации. Именно в этих областях электротехника и начала развиваться. Сегодня электротехника включает в себя множество подразделов, наиболее распространенные из которых перечислены ниже. Хотя некоторые инженеры-электрики специализируются исключительно на одном из этих подразделов, многие работают с их сочетанием. Иногда такие области, как электронная инженерия и компьютерная инженерия, рассматриваются как самостоятельные дисциплины.

Энергия и энергетические ресурсы

Инженерная энергетика занимается производством, передачей и распределением электроэнергии, а также проектированием широкого спектра связанных устройств. К ним относятся трансформаторы, электрические генераторы, электродвигатели, высоковольтная техника и силовая электроника. Во многих регионах мира правительства поддерживают электрическую сеть, называемую энергосистемой, которая объединяет различные генераторы с потребителями электроэнергии. Потребители приобретают электроэнергию из энергосистемы, избегая дорогостоящей необходимости производить её самостоятельно. Инженеры-энергетики могут заниматься проектированием и обслуживанием энергосистемы, а также систем электроснабжения, подключаемых к ней. Настроенный контур, позволяющий пользователю радиоприемника отфильтровать все, кроме одной станции, – лишь один пример подобной схемы. Другой пример для изучения – пневматический преобразователь сигнала. До Второй мировой войны эта область знаний обычно называлась радиотехникой и в основном ограничивалась аспектами связи, радиолокации, коммерческого радио и раннего телевидения. По этой причине приборостроение часто рассматривается как область, сопоставимая с автоматизацией и управлением.

Компьютеры

Компьютерная инженерия занимается проектированием компьютеров и компьютерных систем. Это может включать в себя разработку нового аппаратного обеспечения. Инженеры-компьютерщики могут также работать над программным обеспечением системы. Однако проектирование сложных программных систем часто относится к области программной инженерии, которая обычно рассматривается как отдельная дисциплина. Настольные компьютеры составляют лишь незначительную часть устройств, с которыми может работать инженер-компьютерщик, поскольку компьютерные архитектуры теперь используются в широком спектре встраиваемых устройств, включая игровые приставки и DVD-плееры. Инженеры-компьютерщики участвуют во многих аспектах аппаратного и программного обеспечения в области вычислительной техники. Робототехника – одно из направлений применения компьютерной инженерии.

Фотоника и оптика

Фотоника и оптика охватывают генерацию, передачу, усиление, модуляцию, детектирование и анализ электромагнитного излучения. Применение оптики связано с разработкой оптических приборов, таких как линзы, микроскопы, телескопы и другое оборудование, использующее свойства электромагнитного излучения. К другим важным областям применения оптики относятся электрооптические датчики и измерительные системы, лазеры, волоконно-оптические системы связи и оптические дисковые системы (например, CD и DVD). Фотоника в значительной степени опирается на оптические технологии, дополненные современными достижениями, такими как оптоэлектроника (преимущественно с использованием полупроводников), лазерные системы, оптические усилители и новые материалы (например, метаматериалы).

Смежные дисциплины

Мехатроника – это инженерная дисциплина, изучающая объединение электрических и механических систем. Такие объединенные системы известны как электромеханические и получили широкое распространение. Примеры включают автоматизированные производственные системы, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, а также различные подсистемы самолетов и автомобилей. Проектирование электронных систем – это область электротехники, занимающаяся многодисциплинарными задачами проектирования сложных электрических и механических систем. Термин "мехатроника" обычно применяется к макроскопическим системам, однако футурологи предсказывают появление очень маленьких электромеханических устройств. Уже сейчас такие устройства, известные как микроэлектромеханические системы (МЭМС), используются в автомобилях для активации подушек безопасности, в цифровых проекторах для получения более четкого изображения и в струйных принтерах для создания сопел для высококачественной печати. В будущем ожидается, что эти устройства помогут в создании крошечных имплантируемых медицинских приборов и улучшении оптической связи. В аэрокосмической инженерии и робототехнике примером служат новейшие разработки в области электрических и ионных двигателей.

Образование

Электроинженеры обычно имеют академическую степень по специальности электротехника, электроника, электротехнические технологии или электротехника и электроника. Во всех программах преподаются одни и те же фундаментальные принципы, хотя акцент может варьироваться в зависимости от названия специальности. Продолжительность обучения для получения такой степени обычно составляет четыре или пять лет, а полученная степень может называться бакалавром наук в области электротехники/электроники, бакалавром инженерии, бакалавром наук, бакалавром технологий или бакалавром прикладных наук, в зависимости от университета. Программа бакалавра обычно включает в себя изучение физики, математики, информатики, управления проектами и различных дисциплин электротехники. Изначально эти дисциплины охватывают большинство, если не все, поддисциплин электротехники. В некоторых учебных заведениях студенты могут выбрать специализацию в одной или нескольких поддисциплинах к концу обучения. Во многих университетах электронная инженерия включена в состав электротехнической программы, иногда явно, например, бакалавр инженерии (электрическая и электронная), но в других случаях электротехника и электронная инженерия считаются достаточно широкими и сложными областями, для которых предлагаются отдельные степени. Некоторые инженеры-электрики выбирают продолжить обучение и получить степень магистра, такую как магистр инженерии/магистр наук (MEng/MSc), магистр инженерного менеджмента, доктор философии (PhD) в области инженерии, доктор инженерных наук (Eng.D.), или степень инженера. Магистерские и инженерные степени могут включать в себя исследовательскую работу, курсовые работы или их комбинацию. Степень доктора философии и доктора инженерных наук состоит из значительной исследовательской составляющей и часто рассматривается как отправная точка для академической карьеры. В Великобритании и некоторых других европейских странах степень магистра инженерии часто рассматривается как степень бакалавра, немного более длительная, чем степень бакалавра инженерии, а не как самостоятельная степень магистра.

Electrical engineers typically possess an academic degree with a major in electrical engineering, electronics engineering, electrical engineering technology, or electrical and electronic engineering. The same fundamental principles are taught in all programs, though emphasis may vary according to title. The length of study for such a degree is usually four or five years and the completed degree may be designated as a Bachelor of Science in Electrical/Electronics Engineering Technology, Bachelor of Engineering, Bachelor of Science, Bachelor of Technology, or Bachelor of Applied Science, depending on the university. The bachelor's degree generally includes units covering physics, mathematics, computer science, project management, and a variety of topics in electrical engineering. Initially such topics cover most, if not all, of the subdisciplines of electrical engineering. At some schools, the students can then choose to emphasize one or more subdisciplines towards the end of their courses of study. At many schools, electronic engineering is included as part of an electrical award, sometimes explicitly, such as a Bachelor of Engineering (Electrical and Electronic), but in others, electrical and electronic engineering are both considered to be sufficiently broad and complex that separate degrees are offered. Some electrical engineers choose to study for a postgraduate degree such as a Master of Engineering/Master of Science (MEng/MSc), a Master of Engineering Management, a Doctor of Philosophy (PhD) in Engineering, an Engineering Doctorate (Eng. D.), or an Engineer's degree. The master's and engineer's degrees may consist of either research, coursework or a mixture of the two. The Doctor of Philosophy and Engineering Doctorate degrees consist of a significant research component and are often viewed as the entry point to academia. In the United Kingdom and some other European countries, Master of Engineering is often considered to be an undergraduate degree of slightly longer duration than the Bachelor of Engineering rather than a standalone postgraduate degree.

Профессиональная практика

В большинстве стран степень бакалавра в области инженерии является первым шагом к профессиональной сертификации, а сама образовательная программа сертифицируется профессиональной организацией. После завершения сертифицированной программы инженер должен выполнить ряд требований (включая требования к опыту работы), прежде чем получить сертификацию. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (в Соединенных Штатах, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или инженера-ассоциированного члена (в Индии, Пакистане, Великобритании, Ирландии и Зимбабве), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Новой Зеландии) или европейского инженера (в большей части Европейского Союза). Преимущества лицензирования варьируются в зависимости от местоположения. Например, в Соединенных Штатах и Канаде "только лицензированный инженер может заверять инженерные работы для государственных и частных заказчиков". Это требование обеспечивается законодательством штатов и провинций, таким как Закон об инженерах Квебека. В других странах подобного законодательства не существует. Практически все сертифицирующие органы поддерживают кодекс этики, соблюдение которого ожидается от всех членов, под угрозой исключения. Таким образом, эти организации играют важную роль в поддержании этических стандартов профессии. Даже в юрисдикциях, где сертификация не имеет существенного юридического значения для работы, инженеры подчиняются контрактному праву. В случае некачественного выполнения работы инженер может быть привлечен к ответственности за халатность, а в крайних случаях – за уголовную халатность. Работа инженера также должна соответствовать многочисленным другим правилам и нормам, таким как строительные нормы и законодательство в области охраны окружающей среды. Известными профессиональными организациями для инженеров-электриков являются Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) и Институт инженерии и технологий (IET). IEEE заявляет, что производит 30% мировой литературы в области электротехники, имеет более 360 000 членов по всему миру и проводит более 3000 конференций ежегодно. IET издает 21 журнал, имеет всемирную базу из более чем 150 000 членов и утверждает, что является крупнейшим профессиональным инженерным обществом в Европе. Устаревание технических навыков является серьезной проблемой для инженеров-электриков. Поэтому членство и участие в технических обществах, регулярный просмотр специализированных изданий и привычка к непрерывному обучению необходимы для поддержания профессионального уровня. Членство MIET (член Института инженерии и технологий) признается в Европе как квалификация инженера-электрика и инженера-компьютерщика. В Австралии, Канаде и Соединенных Штатах инженеры-электрики составляют около 0,25% рабочей силы.

In most countries, a bachelor's degree in engineering represents the first step towards professional certification and the degree program itself is certified by a professional body. After completing a certified degree program the engineer must satisfy a range of requirements (including work experience requirements) before being certified. Once certified the engineer is designated the title of Professional Engineer (in the United States, Canada and South Africa), Chartered engineer or Incorporated Engineer (in India, Pakistan, the United Kingdom, Ireland and Zimbabwe), Chartered Professional Engineer (in Australia and New Zealand) or European Engineer (in much of the European Union). The advantages of licensure vary depending upon location. For example, in the United States and Canada "only a licensed engineer may seal engineering work for public and private clients". This requirement is enforced by state and provincial legislation such as Quebec's Engineers Act. In other countries, no such legislation exists. Practically all certifying bodies maintain a code of ethics that they expect all members to abide by or risk expulsion. In this way these organizations play an important role in maintaining ethical standards for the profession. Even in jurisdictions where certification has little or no legal bearing on work, engineers are subject to contract law. In cases where an engineer's work fails he or she may be subject to the tort of negligence and, in extreme cases, the charge of criminal negligence. An engineer's work must also comply with numerous other rules and regulations, such as building codes and legislation pertaining to environmental law. Professional bodies of note for electrical engineers include the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) and the Institution of Engineering and Technology (IET). The IEEE claims to produce 30% of the world's literature in electrical engineering, has over 360,000 members worldwide and holds over 3,000 conferences annually. The IET publishes 21 journals, has a worldwide membership of over 150,000, and claims to be the largest professional engineering society in Europe. Obsolescence of technical skills is a serious concern for electrical engineers. Membership and participation in technical societies, regular reviews of periodicals in the field and a habit of continued learning are therefore essential to maintaining proficiency. An MIET(Member of the Institution of Engineering and Technology) is recognised in Europe as an Electrical and computer (technology) engineer. In Australia, Canada, and the United States, electrical engineers make up around 0.25% of the labor force.

Инструменты и работа

От глобальной системы позиционирования до производства электроэнергии, инженеры-электрики внесли вклад в разработку широкого спектра технологий. Они проектируют, разрабатывают, испытывают и контролируют внедрение электрических систем и электронных устройств. Например, они могут работать над проектированием телекоммуникационных систем, эксплуатацией электростанций, освещением и электропроводкой зданий, проектированием бытовой техники или электрическим управлением промышленным оборудованием. Физика и математика являются основополагающими науками для этой дисциплины, поскольку они помогают получить как качественное, так и количественное описание принципов работы таких систем. Сегодня большинство инженерных работ связано с использованием компьютеров, и при проектировании электрических систем повсеместно используются программы автоматизированного проектирования (САПР). Тем не менее, умение делать наброски идей по-прежнему бесценно для быстрой коммуникации с коллегами. Хотя большинство инженеров-электриков понимают базовую теорию электрических цепей (то есть взаимодействие элементов, таких как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и индуктивности в цепи), используемые теории обычно зависят от конкретной задачи. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут быть актуальны для инженера, работающего над проектированием сверхбольших интегральных схем (СБИС), но в значительной степени не имеют значения для инженеров, занимающихся макроскопическими электрическими системами. Даже теория цепей может оказаться нерелевантной для специалиста, проектирующего телекоммуникационные системы на базе готовых компонентов. Пожалуй, наиболее важные технические навыки для инженеров-электриков отражены в университетских программах, которые делают акцент на развитых вычислительных навыках, компьютерной грамотности и способности понимать техническую терминологию и концепции, относящиеся к электротехнике. Электротехники используют широкий спектр измерительных приборов. Для простых схем управления и сигнализации может быть достаточно базового мультиметра, измеряющего напряжение, ток и сопротивление. Для изучения сигналов, изменяющихся во времени, широко используется осциллограф. В радиочастотной инженерии и высокочастотных телекоммуникациях применяются анализаторы спектра и сетевые анализаторы. В некоторых областях безопасность может быть особенно важна при работе с измерительным оборудованием. Например, разработчики медицинской электроники должны учитывать, что даже значительно более низкие напряжения могут быть опасны при прямом контакте электродов с внутренними жидкостями организма. Инженерные решения в области передачи электроэнергии также связаны с серьезными проблемами безопасности из-за высокого напряжения; хотя принципиально вольтметры могут быть похожи на аналоги для низкого напряжения, вопросы безопасности и калибровки делают их существенно различными. Многие дисциплины электротехники используют тесты, специфичные для данной области. Инженеры в области аудиотехники используют аудио-измерительные комплекты, состоящие из генератора сигналов и измерителя, в основном для измерения уровня, но также и других параметров, таких как гармонические искажения и шум. Аналогично, специалисты в области информационных технологий используют собственные измерительные комплекты, часто специфичные для определенного формата данных, и то же самое относится к телевизионному вещанию. Для многих инженеров техническая работа составляет лишь часть их обязанностей. Значительное время также может быть потрачено на такие задачи, как обсуждение предложений с клиентами, подготовка бюджетов и определение графиков реализации проектов. Многие опытные инженеры управляют командой техников или других инженеров, поэтому навыки управления проектами имеют важное значение. Большинство инженерных проектов включают в себя определенную документацию, поэтому важны хорошие навыки письменной коммуникации. Рабочие места инженеров столь же разнообразны, как и виды выполняемой ими работы. Электротехников можно встретить в стерильной лабораторной среде на производственном предприятии, на борту военного корабля, в офисах консалтинговой фирмы или непосредственно на месте добычи полезных ископаемых. В течение своей карьеры инженеры-электрики могут руководить широким кругом специалистов, включая ученых, электриков, программистов и других инженеров. Электротехника тесно связана с фундаментальными физическими науками. Например, физик лорд Кельвин сыграл важную роль в разработке первого трансатлантического телеграфного кабеля. В свою очередь, инженер Оливер Хевисайд внес значительный вклад в математическое описание передачи сигналов по телеграфным кабелям. Электротехники часто привлекаются к участию в крупных научных проектах. Например, для крупных ускорителей частиц, таких как ЦЕРН, требуются инженеры-электрики для решения множества задач, включая распределение электроэнергии, приборное оснащение, а также изготовление и монтаж сверхпроводящих электромагнитов.

From the Global Positioning System to electric power generation, electrical engineers have contributed to the development of a wide range of technologies. They design, develop, test, and supervise the deployment of electrical systems and electronic devices. For example, they may work on the design of telecommunication systems, the operation of electric power stations, the lighting and wiring of buildings, the design of household appliances, or the electrical control of industrial machinery. Fundamental to the discipline are the sciences of physics and mathematics as these help to obtain both a qualitative and quantitative description of how such systems will work. Today most engineering work involves the use of computers and it is commonplace to use computer aided design programs when designing electrical systems. Nevertheless, the ability to sketch ideas is still invaluable for quickly communicating with others. Although most electrical engineers will understand basic circuit theory (that is, the interactions of elements such as resistors, capacitors, diodes, transistors, and inductors in a circuit), the theories employed by engineers generally depend upon the work they do. For example, quantum mechanics and solid state physics might be relevant to an engineer working on VLSI (the design of integrated circuits), but are largely irrelevant to engineers working with macroscopic electrical systems. Even circuit theory may not be relevant to a person designing telecommunication systems that use off the shelf components. Perhaps the most important technical skills for electrical engineers are reflected in university programs, which emphasize strong numerical skills, computer literacy, and the ability to understand the technical language and concepts that relate to electrical engineering. A wide range of instrumentation is used by electrical engineers. For simple control circuits and alarms, a basic multimeter measuring voltage, current, and resistance may suffice. Where time varying signals need to be studied, the oscilloscope is also an ubiquitous instrument. In RF engineering and high frequency telecommunications, spectrum analyzers and network analyzers are used. In some disciplines, safety can be a particular concern with instrumentation. For instance, medical electronics designers must take into account that much lower voltages than normal can be dangerous when electrodes are directly in contact with internal body fluids. Power transmission engineering also has great safety concerns due to the high voltages used; although voltmeters may in principle be similar to their low voltage equivalents, safety and calibration issues make them very different. Many disciplines of electrical engineering use tests specific to their discipline. Audio electronics engineers use audio test sets consisting of a signal generator and a meter, principally to measure level but also other parameters such as harmonic distortion and noise. Likewise, information technology have their own test sets, often specific to a particular data format, and the same is true of television broadcasting. For many engineers, technical work accounts for only a fraction of the work they do. A lot of time may also be spent on tasks such as discussing proposals with clients, preparing budgets and determining project schedules. Many senior engineers manage a team of technicians or other engineers and for this reason project management skills are important. Most engineering projects involve some form of documentation and strong written communication skills are therefore very important. The workplaces of engineers are just as varied as the types of work they do. Electrical engineers may be found in the pristine lab environment of a fabrication plant, on board a Naval ship, the offices of a consulting firm or on site at a mine. During their working life, electrical engineers may find themselves supervising a wide range of individuals including scientists, electricians, computer programmers, and other engineers. Electrical engineering has an intimate relationship with the physical sciences. For instance, the physicist Lord Kelvin played a major role in the engineering of the first transatlantic telegraph cable. Conversely, the engineer Oliver Heaviside produced major work on the mathematics of transmission on telegraph cables. Electrical engineers are often required on major science projects. For instance, large particle accelerators such as CERN need electrical engineers to deal with many aspects of the project including the power distribution, the instrumentation, and the manufacture and installation of the superconducting electromagnets.