電機工程學
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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應用。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」（electrical engineering）一詞的意義有時不包括「電子工程」（electronic engineering）。 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）[1]。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。
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[编辑] 歷史
[编辑] 早期發展
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偵測靜電存在驗電器的威廉·吉爾伯特（William Gilbert），他也是第一個清楚劃分磁力和靜電的相異性並建立主要相關詞彙的科學家[2]。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（Georg Ohm）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·麦克斯韦1873年所發表的麦克斯韦方程组及其創立的古典電動力學[3]。
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（Darmstadt University of Technology）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[4]。1886年時，密蘇里大學也在美國創立了第一個電機工程學系[5]。
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，湯瑪斯·愛迪生開啟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「電流戦争」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世紀結束時，許多電機工程的領域也開始合併[6]。
[编辑] 近代發展
在無線電開始發展的年代，許多科學家和發明家在分別對無線電和電子學做出貢獻。在海因里希·魯道夫·赫茲1888年特高頻（Ultra high frequency，UHF）的實驗中，他利用電機設備傳輸並接收到無線波段的無線電波。1895年時，尼古拉·特斯拉的實驗結果可以在離紐約實驗室約40公里遠的地點接收到無線電波[7]。1897年時，卡爾·費迪南德·布勞恩開始在示波器中使用陰極射線管，之後陰極射線管也成為電視機最關鍵的零組件[8]。1904年時，約翰·佛萊明（John Fleming）首先發明真空管的二極體，兩年後羅伯特·凡李本（Robert von Lieben）和李·德·佛瑞斯特（Lee De Forest）也獨力發明了放大電流的真空管，稱之為三極體[9]。1920年時，艾柏特·哈爾（Albert Hull）發展出可產生微波的真空管。這項突破也促成了1946年波西·史斑塞（Percy Spencer）對微波爐的發展[10][11]。1934年時，英國陸軍開始利用微波科技來開發雷達，並在1936年8月在Bawdsey成立第一座雷達站開始運作[12]。
1941年時，德國科學家Konrad Zuse展示了Z3系統，這也是世界上第一部可正常運作且可程式化的電腦[13]。1946年2月15日，美軍在二戰中投資研製的電子數值積分計算器（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）誕生於美國賓夕法尼亞大學。這一系列電腦的運算能力開啟了數值運算的新領域及新的科學探索，如日後的阿波羅計畫及美國NASA的登月計畫等等[14]。
威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·豪澤·布喇頓在1947年發明了電晶體開啟了日後積體電路的廣泛應用。1958年的傑克·基爾比和1959年的羅伯特·諾伊斯分別獨立發明積體電路[15]。1968年，英特爾發明第一個微處理器，為今日個人電腦發展的濫觴。英特爾在1971年推出4004為第一個商品化的微處理器，而1973年的8080則是第一顆八位元處理器。第一部個人電腦Altair 8800也因應而生 [16]。
[编辑] 涵蓋領域
[编辑] 電力
電力工程主要是處理發電、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使用者能源，使用者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。
[编辑] 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響應。而要設計控制器，工程師所必須理解的知識包括有電路學、數位信號處理、單晶片電腦以及可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）等等。自動控制學門的應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響應，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。只要有是當的反饋信號，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。
[编辑] 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。電子技術則是應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，湯姆生發現電子的存在，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/集成電路)在民生的廣泛應用，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。
[编辑] 微電子學
微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小化电路，子系统及系统的电子学分支。微电子学作为电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。微电子学是以实现电路和系统的集成为目的的。微电子学中实现的电路和系统又成为集成电路和集成系统，是微小化的；在微电子学中的空间尺寸通常是以微米（μm，1μm=10 − 6m）和纳米（nm，1nm=10 − 9m）为单位的。
[编辑] 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。
[编辑] 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體。小至個人數位助理，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。個人所使用的桌上型電腦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。
[编辑] 参見
[编辑] 參考文獻
- ^ 電力工程師與電子工程師的不同？．FAQs - Studying Electrical Engineering．於2005年February 4查閱．（英文）
- ^ 威廉·吉爾伯特 (1544–1603)．電學的先驅者．於2007年May 13查閱．（英文）
- ^ 「"格奧爾格·歐姆", "麥可·法拉第" and "詹姆斯·克拉克·麦克斯韦"」 《大英百科全書》 (第11版). (1911)。 （英文）
- ^ Welcome to ECE!．康乃爾大學電機工程學系網站．於2005年December 29查閱．（英文）
- ^ Ryder, John and Fink, Donald;（1984）．Engineers and Electrons．IEEE Press．ISBN 0-87942-172-X． （英文）
- ^ History．National Fire Protection Association (NFPA)．於2006年January 19查閱． (published 1996 in the NFPA Journal)（英文）
- ^ Leland Anderson, "Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony, and Transmission of Power", Sun Publishing Company, LC 92-60482, ISBN 0-9632652-0-2 (ed. excerpts available online)
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- ^ The Z3．於2006年January 18查閱．
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- ^ Electronics Timeline．Greatest Engineering Achievements of the Twentieth Century．於2006年January 18查閱．
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