電氣工程學

電氣工程學是以電子學、電磁學等物理學分支為基礎，涵蓋電子學、電子計算機、電力工程、電信、控制工程、信號處理等子領域的一門工程學。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。

電氣工程廣義上涵蓋該領域的分支，但在有些地方，“電氣工程學”（英語：Electrical Engineering）一詞的意義有時不包括“電子工程學”（英語：Electronic Engineering）。 這個情況下，“電氣工程學”是指涉及到大能量的電力系統（如電能傳輸、重型電機機械及電動機），而“電子工程”則是指處理小信號的電子系統（如計算機和積體電路）。

另一種區分法為，電力工程師著重於電能的傳輸，而電子工程師則著重於利用電子信號進行信息的傳輸。這些子領域的範圍有時也會重疊：例如，電力電子學使用電力電子元件對電能進行變換和控制；又如，智慧電網偵測電能供應者的電能供應狀況與一般家庭使用者的電能使用狀況，並據之調整家電用品的耗電量，以此達到節約能源、降低損耗、增強輸電網路可靠性的目的。因此，電氣工程亦函蓋電子工程部分領域的專業知識。

基本介紹

• 中文名：電氣工程學
• 外文名：Electrical Engineering
• 學科：電氣工程

歷史

自從十七世紀初期，關於電的現象就已經成為一門科學探索論題。威廉·吉爾伯特大概是最早幾位電氣工程師之一，他首先設計出用於偵測靜電荷存在的靜電驗電器，亦最先明確地分辨與指出磁與電的不同，並且為術語“電”命名。1775年，亞歷山德羅·伏打做科學實驗改良完善了可用於製造靜電荷的起電盤（electrophorus）。1800年，他又成功開發出能夠持續產生比較穩定電流的伏打堆，是最早出現的化學電池。然而，相關的研究直到19世紀才正式展開。

19世紀電氣工程學的發展

麥可·法拉第發現電磁感應，從而奠定了電動機科技的基礎。

1827年，格奧爾格·歐姆提出的歐姆定律表明電流、電壓及電阻之間在電路里的定量關係。1831年，麥可·法拉第發現電磁感應作用。1873年，詹姆斯·麥克斯韋在著作《電磁通論》里整合前人工作，提出麥克斯韋方程組，從此開啟經典電動力學的紀元。

從1830年代起，對於電磁學知識的實際套用所做的種種努力最終得到一個重要成果，那就是電報技術。19世紀落幕時，由於陸線（land-line）、海底電纜及約1890年無線電報術（wireless telegraphy）的出現，快速通訊終於得以實現，整個世界的通訊建構也因此徹底被改變。

為了確保當表述與套用電磁學理論時，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顯得尤為必要。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。這一國際標準制度於1893年在芝加哥達成共識，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。

在這幾十年里，電氣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氣工程學教授席位。同年，麻省理工學院物理系開始推出電氣工程學方向的學士學位課程。1883年，達姆施塔特工業大學建立電機系，成為全世界最先創建電機系的大學。1985年，康乃爾大學成為美國最先建立電機系的大學。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，幾年後系名改為電氣工程系。1886年，密蘇里大學也建立了電氣工程系，據一些文獻所述，密蘇里大學正是最先建立電氣工程系的美國大學很快地，包括喬治亞理工學院在內的許多大學都仿效之設立電氣工程系。

湯瑪斯·愛迪生建成全世界第一個大型電力網

經過這幾十年發展，電氣工程學的套用領域急劇地擴大。1882年，湯瑪斯·愛迪生建成全世界第一個大型電力網，能夠提供電壓為110伏特的直流電給59位紐約曼哈頓島顧客。1884年，查爾斯·帕森斯爵士（Sir Charles Parsons）發明了蒸汽渦輪發動機。使用渦輪發動機從各種各樣的熱能源轉化出的機械能，總共可以提供全世界電能用量的80%左右。

尼古拉·特斯拉開發出變壓器與感應電動機，它們是交流電系統的重要裝置。

1880年代後期，見證了兩種顯著不同的電能傳輸方式的文明對抗。原本直流電方式使用直流電來傳輸電能，新近出現的交流電方式使用交流電來傳輸電能，這引發一場所謂的“電流戰爭”。交流電方式的發電技術與電能傳輸技術比較優良，特別是交流電允許使用變壓器來提升或降低的電壓（這是直流電方式的一大缺乏）。另外，使用高壓交流電大大地擴展了電能傳輸的範圍，使用變壓器提升電能傳輸的安全性和效率。由於上述這些優勢，交流供電方式逐漸取代直流供電方式。

近代發展

在無線電技術發展期間，許多科學家和發明家分別對無線電和電子學做出了貢獻。於1888年所做的經典實驗中，海因里希·赫茲使用電機設備傳輸並接收到無線波段的無線電波，以此證實無線電波存在。1895年時，尼古拉·特斯拉從他在紐約實驗室發射出的無線電信號，在距離大約50公里之遠的紐約西點都可以接收得到。

1897年時，卡爾·布勞恩開始將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。1904年時，約翰·弗萊明首先發明二極體，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”）。

1895年，古列爾莫·馬可尼進一步改良了赫茲的無線電傳送方法，將無線電信號傳送距離延長到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信號，穿越大西洋上空，在大西洋的另一邊，加拿大紐芬蘭聖約翰斯，居然收到了信號，兩處之間距離為2,100英里（3,400千米）！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）進而以此成功開發出微波爐。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。

1941年，德國科學家康拉德·楚澤展示了用機電元件製成的全世界第一部全功能可程式化電腦，即Z3系統。1943年，湯米·傅勞斯（Tommy Flowers）設計與製成巨像電腦，這是一部前所未有、完全用電子元件製成的固定程式、可程式化數字電腦。1946年2月15日，美軍在第二次世界大戰中由美國陸軍投資研製的電子數值積分計算器（ENIAC），在先驅約翰·莫克利（John Mauchly）、約翰·伊克特（John Eckert）的督導下，誕生於美國賓夕法尼亞大學。ENIAC一般被認為是世上第一部“一般用途”電子計算機，它的發明是現代計算機發展史上重要的里程碑。

學科教育

電機工程師通常會經過“電機工程學”、“電子工程”或“電力電子工程”等名目的學位教育。儘管各種學位的側重有所不同，但是它們大都要求學生學習一系列共同的基礎課程。完成學業一般需要四年或五年時間。由於學校的性質有別，學生在完成學業之後可能會被授予工學學士、理學學士、技術學士（Bachelor of Technology）、套用科學學士（Bachelor of Applied Science）中的一種學位。電機工程學的學士學位大多要求學生學習物理學、數學、計算機科學等必修課程、完成一個或多個與專業知識套用有關的項目設計，並選修一系列與電機工程學有關的其他課程。 這些準備課程會讓學生學習到電機工程學的基本原理和基本實踐技能。隨後，學生可以根據自己專注與興趣選擇一個或多個子學科修讀，直到畢業。在許多學校，電子工程被包含在電機工程學之中，另一些學校則認為二者各自治理的學術知識足夠寬廣複雜，可以分頭髮展。

有的電機工程師選擇在畢業後繼續進行研究生階段的學習，爭取獲得研究生學位，例如工程碩士（Master of Engineering）、理學碩士，或攻讀哲學博士、工程博士（Engineering Doctorate）學位。電機工程學的碩士課程由課程作業、研究二者或二者之一構成。而博士課程則更側重專題的研究，經常被視為是電氣工程師學術生涯的起點。在英國和一些歐洲國家，工程碩士的學習經常被認為是本科學位的一個較小延伸，而不是嚴格意義上的研究生學習。