Elektrotechnika
Z Wikipedii
Elektrotechnika - dział nauki zajmujący się podstawami teoretycznymi i zastosowaniem zjawisk fizycznych z dziedziny elektryczności i magnetyzmu w różnych gałęziach gospodarki.
Do zagadnień wchodzących w zakres elektrotechniki należą: wytwarzanie energii elektrycznej, jej przesyłanie i rozdzielanie; przetwarzanie w inne rodzaje energii, np.: mechaniczną, cieplną, chemiczną, świetlną; oraz przenoszenie za pośrednictwem fal elektromagnetycznych sygnałów elektrycznych, dla których formą wyjściową są:
- znaki graficzne - w telegrafii,
- dźwięk - w telefonii i radiofonii,
- obrazy - w telewizji.
Elektrotechnika obejmuje między innymi takie dziedziny jak:
- aparaty elektryczne,
- urządzenia elektryczne,
- instalacje elektryczne,
- zabezpieczenia elektryczne,
- maszyny elektryczne,
- miernictwo elektryczne,
- automatyka,
- robotyka,
- mechatronika,
- technika świetlna,
- elektrotermia.
Spis treści |
[edytuj] Dziedziny
Zagadnienia dotyczące elektryczności są szerokim działem fizyki oraz techniki i z tego powodu są one dzielone na kilka dziedzin.
[edytuj] W obrębie fizyki:
- Elektrostatyka - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi;
- Elektrodynamika - obejmuje oddziaływania pomiędzy ruchomymi ładunkami, a w szczególności
- Magnetyzm - powstawanie oraz oddziaływanie pola magnetycznego na otoczenie
[edytuj] W obrębie techniki:
- Elektrotechnika
- Elektroenergetyka
- Energoelektronika
- Technika świetlna
- Elektrotechnologie
- Mechatronika
[edytuj] Historia
Zobacz więcej w osobnym artykule: Historia elektrotechniki.Elektryczność jest tematem naukowego zainteresowania od co najmniej wczesnych lat siedemnastego wieku. Prawdopodobnie pierwszym elektrotechnikiem był William Gilbert, który wynalazł versorium: przyrząd, który wykrywa obecność naładowanych statycznie ciał. Był też pierwszą osobą, która określiła różnicę pomiędzy magnetyzmem i elektrycznością statyczną i stał się sławny poprzez wprowadzenie pojęcia elektryczności. W 1775 roku eksperymenty naukowe Alessandro Volty doprowadziły do wynalezienia elektroforu – urządzenia produkującego statyczny ładunek elektryczny i w 1800 roku Volta wynalazł ogniwo galwaniczne, prekursora baterii elektrycznej.
Jednakże, dopiero w XIX wieku badania w tym temacie zaczęły się nasilać. Znaczącym postępem w tym wieku była praca Georga Ohma, który w 1827 roku określił wzajemne relacje pomiędzy prądem elektrycznym i różnicą potencjałów w przewodniku, odkrycie indukcji elektromagnetycznej w 1831 przez Michaela Faradaya i opublikowanie jednolitej teorii elektryczności i magnetyzmu w traktacie Jamesa Clerka Maxwella "Elektryczność i Magnetyzm" z 1873.
Przez te lata badana elektryczność była w znacznej mierze uważana jako poddział fizyki. Tak było aż do późnych lat XIX wieku, w którym uniwersytety rozpoczęły oferować stopnie naukowe w elektrotechnice. Uniwersytet Techniczny w Darmstadt w 1882 roku utworzył pierwszą katedrę i pierwszy na świecie wydział elektrotechniki. W 1883 roku w Uniwersytecie Technicznym w Darmstadt i Uniwersytecie Cornella wprowadzono pierwsze na świecie kierunki studiów elektrotechniki, a w 1885 roku w University College London wprowadzono pierwszą katedrę elektrotechniki w Wielkiej Brytanii. Następnie w 1886 roku w University of Missouri utworzono pierwszy w Stanach Zjednoczonych wydział elektrotechniki.
Przez ten okres wiedza dotycząca elektrotechniki radykalnie wzrosła. W 1882 roku Edison włączył pierwszą na świecie sieć elektroenergetyczną na wysoką skalę, która dostarczała 110 V prądu stałego do pięćdziesięciu dziewięciu klientów dolnego Manhattanu. W 1887 Nikola Tesla wniósł zgłoszenia patentowe związane z konkurencyjną formą dystrybucji energii znanej jako prąd zmienny. W następnych latach miała miejsce zaciekła rywalizacja pomiędzy Teslą a Edisonem, dotycząca metody generowania i przesyłu energii, nazywana "Walką o prąd przemienny". Prąd przemienny (AC) zastąpił w końcu prąd stały (DC) w produkcji i rozdziale energii, ogromnie rozszerzając zakres i udoskonalając bezpieczeństwo i sprawność rozdziału energii elektrycznej.
Wysiłki tych dwóch uczyniły wiele w uzupełnieniu wiedzy z elektrotechniki — praca Tesli dotycząca silników indukcyjnych i układów wielofazowych wywierała na tym polu wpływ przez lata, podczas gdy praca Edisona nad telegrafem i udoskonalenie maszyny do pisania okazało się zyskowne dla jego spółki, która ostatecznie przeobraziła się w General Electric. Pod koniec XIX wieku w drodze postępu pojawiły się jeszcze inne znaczące postacie.
[edytuj] Edukacja
Inżynierzy elektrycy zwykle otrzymują stopień akademicki specjalizując się w elektrotechnice. Czas trwania studiów dla takiego stopnia to zwykle cztery lub pięć lat i ukończony stopień naukowy może być tytułowany jako licencjat w dziedzinie inżynierii, licencjat w dziedzinie nauki, licencjat w dziedzinie technologii lub licencjat w dziedzinie nauk stosowanych w zależności od uniwersytetu. Stopień naukowy zazwyczaj obejmuje części zawierające fizykę, matematykę, informatykę, zarządzanie projektami i konkretnymi tematami w elektrotechnice. Początkowo takie tematy obejmują w większości, jeśli nie całkowicie, poddziedziny elektrotechniki. Następnie studenci wybierają specjalizację w jednej lub większej liczbie dziedzin do uzyskania stopnia naukowego.
Niektórzy elektrotechnicy postanawiają zrealizować tytuł magistra takiego jak magister inżynier/magister nauk ścisłych (MEng/MSc), magister inżynier zarządzania i marketingu, doktor w zakresie inżynierii (PhD), doktorat inżynierii lub stopień inżyniera. Stopień magistra inżyniera może zawierać prace naukowe, prace okresowe lub mieszankę obu. Doktor i stopnie doktoratu inżynierii składają się ze znaczących części prac badawczych i są często przedstawiane jako początek świata akademickiego. W Wielkiej Brytanii i wielu innych europejskich krajach, magister inżynierii jest często uważany za stopień studencki trwający nieznacznie dłużej niż stopień inżynierski.
[edytuj] Praktykujący inżynierzy
W większości państw, licencjat z inżynierii oznacza pierwszy krok w kierunku świadectwa zawodowego i sam stopień programu jest uznawany przez organizacje zawodowe. Po ukończeniu uznawanego stopnia programu inżynier musi spełnić grupę wymagań (włączając wymagania doświadczenia zawodowego) przed uzyskaniem uprawnienia (certyfikacja). Po uzyskaniu uprawnienia, inżynier jest określony tytułem zawodowego inżyniera (w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Republice Południowej Afryki), dyplomowanego inżyniera (w Indiach, Anglii, Irlandii i Zimbabwe), dyplomowanego zawodowego inżyniera (w Australii i Nowej Zelandii) lub inżyniera europejskiego (w większej części Unii Europejskiej, także w Polsce).
Zalety uprawnienia różnią się w zależności od miejsca. Na przykład, w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie „tylko licencjonowany inżynier może pieczętować pracę inżynierską dla publicznych i prywatnych klientów”. To wymaganie jest narzucone przez stan i regionalne ustawodawstwo takie jak ustawa inżynieryjna z Quebeck. W innych krajach, takich jak Australia, nie istnieje taka ustawa. W praktyce wszystkie organizacje certyfikujące zachowują kodeks etyczny, którego oczekują od wszystkich członków by go dotrzymywać lub narazić się na wykluczenie. W ten sposób te organizacje odgrywają ważną rolę w zachowaniu standardów etycznych dla zawodu. Nawet w kompetencjach gdzie upoważnienie ma niewiele wspólnego lub nie ma żadnych prawnych związków z pracą, inżynierzy podlegają prawu o umownych zobowiązaniach. W przypadkach gdzie praca inżyniera zawodzi, może on podlegać deliktowi zaniedbania i w skrajnych przypadkach, zarzutowi zaniedbania karanego sądownie. Praca inżyniera musi również stosować się do innych licznych zasad i reguł takich jak kodeks budowlany i prawodawstwa odnoszącego się do prawa środowiskowego.
Organizacje zawodowe dla inżynierów elektryków obejmują Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (ang. IEEE) i Instytut Inżynierii i Technologii (ang. IET), który został utworzony przez scalenie Instytutu Inżynierów Elektryków (ang. IEE) i Instytutu Zrzeszenia Inżynierów (ang. IIE). Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników daje 30% światowej literatury elektrotechniki, posiada ponad 360 tysięcy członków na całym świecie i organizuje ponad 3 tysięce konferencji rocznie. Instytut Inżynierii i Technologii wydaje 21 czasopism, posiada na całym świecie powyżej 150 tysięcy członków i utrzymuje, że jest największym zawodowym, inżynierskim stowarzyszeniem w Europie. Zanikanie umiejętności technicznych jest poważnym problemem dla inżynierów elektryków. Członkowstwo i uczestnictwo w technicznych stowarzyszeniach, regularne przeglądy czasopism w dziedzinie i zwyczaj ciągłej nauki są więc niezbędne, aby zachować fachowość.
W państwach jak Australia, Kanada i Stany Zjednoczone inżynierzy elektrycy tworzą około 0,25% siły roboczej. Poza tymi krajami trudno oszacować demografię zawodu z powodu mniejszej dokładności sprawozdań o statystykach zatrudnienia. Jednakże, biorąc pod uwagę absolwentów elektrotechniki przypadających na jedną osobę, absolwenci elektrotechniki mogą prawdopodobnie być najbardziej licznymi w państwach takich jak Taiwan, Japonia, Indie i Korea Południowa.
[edytuj] Narzędzia i praca
Zaczynając od globalnego systemu określania położenia (GPS) do wytwarzania energii elektrycznej, inżynierzy elektrycy przyczyniają się do rozwoju szerokiego zakresu technologii. Projektują, rozwijają, testują i nadzorują rozwój instalacji elektrycznych i urządzeń elektronicznych. Na przykład, mogą pracować nad projektem systemów telekomunikacyjnych, obsługą elektrowni, oświetleniem i instalacją elektryczną budynków, projektowaniem urządzeń gospodarstwa domowego lub nadzorem elektrycznym maszyn przemysłowych[1].
Fizyka i matematyka są podstawą dla elektrotechniki, ponieważ pomagają osiągnąć zarówno jakościowy jak i ilościowy opis w jaki sposób takie systemy będą pracowały. Dziś większość pracy inżynierskiej wymaga użycia komputerów, a zwłaszcza przy projektowaniu instalacji elektrycznych, gdzie zastosowanie oprogramowania komputerowego jest powszechne. Mimo to, zdolność przedstawienia zarysu pomysłu jest stale bezcenna dla szybkiej komunikacji z innymi.
Chociaż większość elektrotechników zrozumie podstawową teorię obwodów (tak jest z wzajemnym oddziaływaniem takich elementów jak oporniki, kondensatory, diody, tranzystory i cewki w obwodzie), teorie stosowane przez inżynierów najczęściej zależne są od pracy, którą wykonują. Na przykład mechanika kwantowa i fizyka ciała stałego mogą być związane z inżynierami pracującymi z VLSI (projektowanie układów scalonych), ale są bardzo nieodpowiednie dla inżynierów pracujących z makroskopowymi systemami elektrycznymi. Nawet teoria obwodów może nie dotyczyć osoby projektującej systemy telekomunikacyjne, które używają gotowe komponenty. Być może najważniejsze umiejętności techniczne dla elektrotechników są odzwierciedlane w uniwersyteckich programach, które kładą silny nacisk na umiejętności numeryczne, znajomość obsługi komputera i umiejętność rozumienia języka technicznego i pojęcia, które odnoszą się do elektrotechniki.
Dla wielu inżynierów, techniczna praca ogranicza się tylko do części pracy, którą wykonują. Dużo czasu może być spędzone na zajęciach takich jak dyskusja propozycji z klientami, przygotowanie zbiorów i określeniu planu projektu. Wielu starszych inżynierów zarządza zespołem techników lub innych inżynierów i dlatego umiejętności zarządzania są ważne. Większość projektów inżynierskich wymaga pewnych form dokumentacji i dlatego uwydatnione umiejętności komunikacyjne są bardzo ważne.
Miejsca pracy elektrotechników są po prostu tak różnorodne jak praca, którą wykonują. Elektrotechnicy mogą się znaleźć w środowisku nieskazitelnie czystego laboratorium zakładu przemysłowego, biurach firmy konsultingowej lub na terenie kopalni. Podczas swojego okresu pracy zawodowej, elektrotechnicy mogą się odnaleźć nadzorując szeroki zakres jednostek zawierający naukowców, elektryków, programistów komputerowych i innych inżynierów.
[edytuj] Poddziedziny
Elektrotechnika posiada wiele poddziedzin, z których najpopularniejsze zostały zestawione poniżej. Jakkolwiek są tam elektrotechnicy skupiający się wyłącznie na jednej z tych poddziedzin, to wiele z nich ma duży związek z ich kombinacją. Czasami pewne obszary, takie jak elektronika i informatyka, są brane pod uwagę, jako osobne dziedziny na własnych zasadach.
[edytuj] Dostarczanie energii
Zobacz więcej w osobnym artykule: Elektroenergetyka .
Energetyka zajmuje się wytwarzaniem, przesyłaniem i rozdziałem energii elektrycznej jak również projektowaniem grupy urządzeń z nią związanych. Te obejmują transformatory, prądnice, silniki elektryczne, technologię wysokonapięciową i energoelektronikę. W wielu regionach świata, rządy popierają sieć elektryczną nazywaną siecią energetyczną, która łączy różnorodne źródła razem z użytkownikiem ich energii. Użytkownicy pobierają energię elektryczną z sieci, unikając kosztownego posiadania własnego źródła energii. Energetycy mogą pracować nad projektem i utrzymaniem w dobrym stanie sieci elektrycznej jak również nad systemami energetycznymi podłączonymi do niej. Nazywamy je systemami sieciowymi i mogą zaopatrywać sieć w dodatkową energię, pobierać energię z sieci lub wykonywać obie rzeczy naraz. Energetycy mogą również pracować na systemach, które nie są podłączone do sieci, nazywane systemami bezsieciowymi, które w niektórych przypadkach są bardziej pożądane niż systemy sieciowe. Wliczane w przyszłość są satelitarnie sterowane systemy energetyczne ze sprzężeniem zwrotnym w czasie rzeczywistym by zapobiec nagłym wzrostom mocy i przerwom w dostawie energii elektrycznej.
[edytuj] Automatyka
Zobacz więcej w osobnym artykule: Automatyka .
Automatyka skupia się na modelowaniu zmiennych zakresów systemów dynamicznych i projektowaniem sterowników, które spowodują, że te systemy zachowają się w pożądany sposób. By wdrożyć takie sterowniki elektronicy mogą użyć obwodów elektrycznych, cyfrowych procesorów sygnałowych, mikrokontrolerów i sterowników PLC (Programowalne sterowniki logiczne). Automatyka ma szeroki zakres zastosowania od lotu i układów napędowych samolotów pasażerskich linii lotniczych do ogranicznika prędkości czasu rzeczywistego w wielu nowoczesnych samochodach. Spełnia to również istotną rolę w automatyzacji przemysłowej.
Automatycy często wykorzystują sprzężenie zwrotne projektując układy automatyczne. Na przykład w samochodzie z ogranicznikiem prędkości, prędkość pojazdu jest ciągle kontrolowana i sprzężona zwrotnie do systemu, który dostosowuje wyjściową moc silnika zgodnie z systemem. Tam gdzie jest prawidłowe sprzężenie zwrotne, teoria automatyki może być użyta by określić jak system odpowie na takie sprzężenie zwrotne.
[edytuj] Elektronika
Zobacz więcej w osobnym artykule: Inżynieria elektroniczna.
Inżynieria elektroniczna obejmuje projektowanie i testowanie obwodów elektronicznych które wykorzystują właściwości części takich jak rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne, diody i tranzystory by osiągnąć konkretną funkcjonalność. Układ rezonansowy, który pozwala użytkownikowi radia przefiltrować wszystko ale jednej stacji, jest tylko jednym z przykładów takich obwodów. Innym przykładem (pneumatyczny sygnałowy klimatyzator) jest pokazany obok na fotografii.
Najważniejsze podczas drugiej wojny światowej, temat powszechnie znany jako „radiotechnika” i zasadniczo był ograniczony do postaci łączności i radaru, Komercyjnego radio i wczesnych telewizorów. Później, po latach wojny, jako urządzenia konsumenckie zaczęły się rozwijać, pole powiększało się do nowoczesnej telewizji, systemów audio, komputerów i mikroprocesorów. Od połowy do późnych lat pięćdziesiątych XX wieku pojęcie inżynierii radiowej stopniowo ustępowało nazwie elektroniki.
Przed wynalezieniem obwodu zintegrowanego w 1959, obwody elektroniczne były budowane z części dyskretnych które mogły być kierowane przez ludzi. Te dyskretne obwody zużywały dużo miejsca i mocy i były ograniczone prędkościowo, chociaż w niektórych zastosowaniach są one nadal powszechne. Natomiast, obwody zintegrowane ułożone w dużą liczbę - często milionów – malutkich części elektronicznych, głównie tranzystorów, do małego układu scalonego rozmiaru monety. Pozwala to na budowę mocnych komputerów i innych elektronicznych urządzeń które dziś obserwujemy.
[edytuj] Mikroelektronika
Zobacz więcej w osobnym artykule: Mikroelektronika.
Inżynieria mikroelektroniczna dotyczy projektowania bardzo małych części obwodów elektronicznych do użycia w układzie scalonym albo niekiedy do własnego użytku jako podstawowa część elektroniczna. Najpowszechniejszymi częściami mikroelektronicznymi są tranzystory półprzewodnikowe, chociaż wszystkie główne części elektroniczne (rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne) mogą być tworzone na mikroskopijnym poziomie.
Części mikroelektroniczne są tworzone przy pomocy chemicznie fabrykowanych płytek półprzewodnikowych takich jak krzem (przy wyższych częstotliwościach złożone półprzewodniki jak arsenek galu i fosforek indu) by uzyskać oczekiwany przesył ładunku elementarnego i kontrolę prądu. Dziedzina mikroelektroniki obejmuje znaczącą ilość chemii i materiałoznawstwa i wymaga od inżynierów elektroników pracujących w tej dziedzinie by posiadać dobrą wiedzę praktyczną na temat mechaniki kwantowej.
[edytuj] Przetwarzanie sygnałów
Przetwarzanie sygnałów dotyczy analizy i manipulacji na sygnałach. Sygnały mogą być analogowe, gdzie sygnał stale ulega zmianom zgodnie z informacją, lub cyfrowe, gdzie sygnał zmienia się zgodnie z grupą wartości dyskretnych odpowiadających informacji. Dla sygnałów analogowych, przetwarzanie sygnałów wymaga wzmocnienia i filtracji sygnałów dźwiękowych dla sprzętu audio lub modulacji i demodulacji sygnałów dla telekomunikacji. Dla sygnałów cyfrowych, przetwarzanie sygnałów wymaga kompresji, wykrycia błędów i poprawy błędów cyfrowego próbkowania sygnałów.
[edytuj] Telekomunikacja
Zobacz więcej w osobnym artykule: Telekomunikacja.
Telekomunikacja skupia się na przesyle informacji przez kanały takie jak kabel koncentryczny, światłowód lub przesył bezprzewodowy. Przesył bezprzewodowy wymaga kodowania informacji w fali nośnej, aby przesłać informację do częstotliwości przenoszenia odpowiedniej dla przesyłu, co jest określane mianem modulacji. Powszechne techniki modulacji analogowej obejmują modulację amplitudową i modulację częstotliwościową. Wybór metody modulacji wpływa na koszty i wydajność i dlatego te dwa czynniki muszą być starannie dobrane przez inżyniera.
Gdy charakterystyki przesyłu sieci są już raz określone, inżynierzy telekomunikacji projektują nadajniki i odbiorniki potrzebne dla takich systemów. Czasami łączy się te dwa rodzaje otrzymując urządzenie dwustronnej komunikacji znane jako aparat nadawczo-odbiorczy. Kluczowym rozważaniem w projekcie nadajników jest ich pobór mocy, jako że jest ściśle powiązany ze swoją amplitudą sygnału. Gdy amplituda sygnału nadajnika jest niedostateczna informacja sygnału będzie zniekształcona przez szum.
[edytuj] Inżynieria oprzyrządowania
Inżynieria oprzyrządowania pracuje z modelami urządzeń do pomiarów wielkości fizycznych takich jak ciśnienie, strumień i temperatura. Model takiego oprzyrządowania wymaga dobrego rozumienia fizyki, która często wykracza poza teorię elektromagnetyczną. Na przykład, radary pistoletowe działają na zasadzie efektu Dopplera by mierzyć prędkość nadchodzącego samochodu. Podobnie termopara działa na zasadzie zjawiska Peltiera-Seebecka by mierzyć różnicę temperatur pomiędzy dwoma punktami. Często oprzyrządowanie nie jest używane jako samo urządzenie, ale zamiast tego jako czujniki większej instalacji elektrycznej. Na przykład termopara może być użyta do zapewnienia stałej temperatury pieca. Przez to inżynieria oprzyrządowania jest często rozpatrywana jako odpowiednik kontroli inżynierskiej.
[edytuj] Inżynieria informatyczna
Zobacz więcej w osobnym artykule: Inżynieria komputerowa.
Inżynieria informatyczna zajmuje się projektowaniem komputerów i systemów komputerowych. Może to dotyczyć projektu nowego sprzętu komputerowego, projektu komputerów kieszonkowych (palmtop) lub zastosowania komputerów do kontroli zakładu przemysłowego. Informatycy mogą też pracować nad oprogramowaniem systemowym. W każdym razie, projekt złożonego oprogramowania systemowego jest często dziedziną inżynierii oprogramowania, która jest zwykle uważana za osobną dziedzinę. Komputer biurowy reprezentuje drobną część urządzeń, na których może pracować informatyk, jako że architektury przypominające architektury komputerowe są obecne w dziedzinie urządzeń zawierających konsole gier komputerowych i odtwarzacze DVD.
[edytuj] Zobacz też
- analogowe przetwarzanie sygnałów
- ładowarka akumulatorów
- inżynieria komputerowa
- silnik elektryczny
- Institute of Electrical and Electronics Engineers
- Electronic Design Automation
- Inżynieria elektryczna
Przypisy
- ↑ Electrical and Electronics Engineers, except Computer. W: Occupational Outlook Handbook [on-line]. [dostęp 2005]. (zobacz Internet Archive)
