Ingénierie électrique
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Génie électrique, parfois appelé ingénierie électrique et électronique, est un domaine de l'ingénierie qui se occupe de l'étude et l'application de l'électricité , l'électronique et l'électromagnétisme . Le premier champ est devenu une occupation identifiable dans la fin du XIXe siècle après la commercialisation de l'électrique télégraphe et alimentation électrique. Il couvre maintenant une gamme de sous-thèmes, y compris la puissance, l'électronique , systèmes de contrôle, traitement du signal et télécommunications .
Génie électrique peut ou ne peut pas englober ingénierie électronique. Où une distinction est faite, généralement en dehors des États-Unis, de l'ingénierie électrique est considéré pour faire face aux problèmes associés aux systèmes électriques à grande échelle tels que transmission d'énergie et commande de moteur, alors que électroniques offres de l'ingénierie avec l'étude des systèmes électroniques à petite échelle, y compris les ordinateurs et les circuits intégrés . Alternativement, les ingénieurs électriques sont généralement intéressés par utiliser l'électricité pour transmettre de l'énergie, tandis que les ingénieurs électroniques sont concernés par l'aide de l'électricité pour transmettre des informations.
Histoire
Électricité a été un sujet d'intérêt scientifique depuis au moins le début du 17e siècle. Le premier ingénieur électrique était probablement William Gilbert qui a conçu le versorium: un dispositif qui a détecté la présence d'objets chargés d'électricité statique. Il a également été le premier à établir une distinction claire entre le magnétisme et l'électricité statique et est crédité de instituant la électricité terme. En 1775, Expérimentations scientifiques d'Alessandro Volta conçu le électrophore, un appareil qui produit une charge d'électricité statique, et en 1800 Volta développé la pile voltaïque, un précurseur de la batterie électrique.
Cependant, il ne était pas jusqu'à ce que le 19ème siècle que la recherche sur le sujet a commencé à se intensifier. Événements marquants de ce siècle comprennent le travail de Georg Ohm, qui en 1827 a quantifié la relation entre la courant électrique et différence de potentiel dans un conducteur, Michael Faraday , le découvreur de induction électromagnétique en 1831, et James Clerk Maxwell , qui en 1873 a publié un unifiée théorie de l'électricité et le magnétisme dans son traité Électricité et magnétisme.
Au cours de ces années, l'étude de l'électricité a été largement considéré comme un sous-domaine de la physique . Ce ne était pas jusqu'à la fin du 19e siècle que les universités ont commencé à offrir des diplômes en génie électrique. Le Université de technologie de Darmstadt a fondé le premier président et la première faculté de génie électrique à travers le monde en 1882. En 1883, Université de technologie de Darmstadt et Université Cornell introduit premiers cours mondiaux de l'étude en génie électrique et en 1885, le University College London a fondé la première chaire de génie électrique dans le Royaume-Uni . Le Université du Missouri a ensuite créé le premier département de génie électrique aux États-Unis en 1886.
Pendant cette période, les travaux concernant le génie électrique a augmenté de façon spectaculaire. En 1882, Edison allumé première grande électrique approvisionnement réseau mondial qui a fourni 110 volts courant direct à cinquante-neuf clients dans le bas Manhattan. En 1887, Nikola Tesla a déposé un certain nombre de brevets liés à une forme concurrente de distribution d'énergie connue sous le nom de courant alternatif . Dans les années suivantes une rivalité amère entre Tesla et Edison, connu sous le nom " Guerre des courants ", a eu lieu sur la méthode préférée de distribution. AC DC finalement remplacé pour la génération et la distribution d'énergie, étendant considérablement la gamme et améliorer la sécurité et l'efficacité de la distribution d'énergie.
Les efforts des deux fait beaucoup pour de plus amples génie-travail de Tesla électrique sur Les moteurs à induction et systèmes polyphasés influencés le domaine pour les années à venir, alors que le travail d'Edison sur la télégraphie et son développement de la téléscripteur avéré lucratif pour son entreprise, qui est finalement devenu General Electric. Cependant, à la fin du 19ème siècle, d'autres chiffres clés dans les progrès de l'ingénierie électrique ont commencé à émerger.
Les développements modernes
- Emergence de la radio et de l'électronique
Pendant le développement de la radio, de nombreux scientifiques et inventeurs ont contribué à la technologie radio et de l'électronique. Dans son classique expériences UHF de 1888, Heinrich Hertz transmis (via un Émetteur à étincelles) et détecté utilisant des ondes radio équipements électriques. En 1895, Nikola Tesla était capable de détecter les signaux des transmissions de son laboratoire de New York à West Point (une distance de 80,4 km / 49.95 miles). En 1897, Karl Ferdinand Braun a présenté le Tube à rayons cathodiques en tant que partie d'un oscilloscope, une technologie permettant crucial pour télévision électronique . John Fleming a inventé le premier tube radio, le diode, en 1904. Deux ans plus tard, Robert von Lieben et Lee De Forest indépendamment développé le tube amplificateur, appelé triode. En 1895, Guglielmo Marconi favorisé l'art des méthodes sans fil hertziennes. Très tôt, il a envoyé des signaux sans fil sur une distance de miles et demi. En Décembre 1901, il a envoyé des ondes sans fil qui ne ont pas été touchés par la courbure de la Terre. Marconi tard transmis les signaux sans fil à travers l'Atlantique entre Poldhu, Cornwall, et de Saint-Jean, Terre-Neuve, une distance de 2100 miles. En 1920, Albert Hull a développé le magnétron qui finirait par conduire à l'élaboration de la four micro-ondes en 1946 par Percy Spencer. En 1934, l'armée britannique a commencé à faire des progrès vers le radar (qui utilise aussi le magnétron) sous la direction du Dr Wimperis, culminant dans l'opération de la première station de radar à Bawdsey en Août 1936.
En 1941, Konrad Zuse a présenté le Z3, le premier ordinateur entièrement fonctionnel et programmable au monde. En 1946, le ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de John Eckert et Presper John Mauchly suivie, en commençant l'ère de l'informatique. La performance arithmétique de ces machines a permis aux ingénieurs de développer de toutes nouvelles technologies et à atteindre de nouveaux objectifs, y compris le Missions Apollo et l' atterrissage sur la Lune de la NASA .
L'invention du transistor en 1947 par William B. Shockley, John Bardeen et Walter Brattain a ouvert la porte pour les appareils plus compacts et a conduit à l'élaboration du circuit intégré en 1958 par Jack Kilby et indépendamment en 1959 par Robert Noyce. En 1968, Marcien Hoff a inventé le premier au microprocesseur Intel et donc allumé le développement de l' ordinateur personnel . La première réalisation du microprocesseur est le Intel 4004, un processeur 4 bits mis au point en 1971, mais seulement dans le fait 1.973 Intel 8080, un processeur 8 bits, faire la construction du premier ordinateur personnel, le Altair 8800, possible.
Éducation
Les ingénieurs électriciens possèdent généralement un diplôme universitaire avec une majeure en génie électrique. La durée des études pour un tel degré est habituellement de quatre ou cinq ans et le grade obtenu peut être désigné comme un Baccalauréat en génie, Licence en sciences, Baccalauréat en technologie ou Baccalauréat ès sciences appliquées en fonction de l'université. Le degré comprend généralement unités couvrant la physique , les mathématiques , l'informatique , gestion de projet et sujets spécifiques en génie électrique. Initialement ces sujets couvrent la plupart, sinon la totalité, des sous-disciplines de l'ingénierie électrique. Les élèves choisissent ensuite de se spécialiser dans un ou plusieurs sous-disciplines vers la fin de la mesure.
Certains ingénieurs électriques choisissent également de poursuivre un diplôme de troisième cycle comme un Master of Engineering / Master of Science (MEng / MSc), d'une maîtrise Gestion de l'ingénierie, un Docteur en philosophie (PhD) en ingénierie, une Ingénierie Doctorat (EngD), ou un Un diplôme d'ingénieur. Le maître et l'Ingénieur degré peut consister soit recherche, de cours ou un mélange des deux. Le docteur en philosophie et en génie Doctorat degrés se composent d'un élément important de la recherche et sont souvent considérés comme le point d'entrée le milieu universitaire. Au Royaume-Uni et d'autres pays européens, le Master of Engineering est souvent considéré comme un diplôme de premier cycle d'un peu plus longue durée que le Baccalauréat en génie.
Pratiquer ingénieurs
Dans la plupart des pays, un diplôme de baccalauréat en génie représente la première étape vers certification professionnelle et le programme d'études se est certifiée par un organisme professionnel. Après avoir terminé un programme de diplôme certifié l'ingénieur doit satisfaire une série d'exigences (y compris les exigences d'expérience de travail) avant d'être certifié. Une fois certifié l'ingénieur est désigné le titre de Ingénieur professionnel (aux États-Unis, le Canada et l'Afrique du Sud ), Ingénieur agréé (en Inde , le Royaume-Uni , l'Irlande et le Zimbabwe ), Ingénieur professionnel agréé (en Australie et Nouvelle-Zélande ) ou Ingénieur européenne (dans une grande partie de la Union européenne ).
Les avantages de la certification varient selon l'emplacement. Par exemple, aux États-Unis et le Canada ", seul un technicien agréé peut sceller des travaux d'ingénierie pour les clients publics et privés". Cette exigence est imposée par l'État et des lois provinciales comme Loi sur les ingénieurs du Québec. Dans d'autres pays, comme l'Australie, ne en existe pas. Pratiquement tous les organismes de certification maintiennent une code d'éthique qu'ils attendent tous les membres à respecter ou à l'expulsion des risques. De cette manière, ces organisations jouent un rôle important dans le maintien de normes éthiques de la profession. Même dans les pays où la certification a peu ou pas d'effet juridique sur le travail, les ingénieurs sont soumis à droit des contrats. Dans les cas où le travail d'un ingénieur échoue, il ou elle peut être soumise à la délit de négligence et, dans les cas extrêmes, la charge de négligence criminelle. Le travail d'un ingénieur doit également se conformer à de nombreuses autres règles et règlements tels que codes et de lois relatives à la construction droit de l'environnement.
Les organismes professionnels de la note pour les ingénieurs électriques comprennent la Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) et la Institution of Engineering and Technology (IET) (qui a été formée par la fusion de la Institution of Electrical Engineers (IEE) et le Institution of Incorporated Engineers (IIE). L'IEEE prétend produire 30% de la littérature mondiale en génie électrique, a plus de 360 000 membres dans le monde et détient plus de 3000 conférences chaque année. L'IET publie 21 journaux, a un effectif mondial de plus de 150 000, et prétend être la plus grande société d'ingénierie professionnelle en Europe. L'obsolescence des compétences techniques est une grave préoccupation pour les ingénieurs électriques. L'adhésion et la participation dans les sociétés techniques, des examens réguliers de périodiques sur le terrain et l'habitude de la formation continue sont donc essentiels pour maintenir la compétence.
Dans des pays comme l'Australie , le Canada et les États-Unis ingénieurs électriciens faire autour de 0,25% de la population active (voir note). En dehors de ces pays, il est difficile d'évaluer les données démographiques de la profession en raison de rapports moins méticuleuse sur les statistiques du travail. Cependant, en termes de diplômés en génie électrique par habitant, les diplômés en génie électrique seraient probablement plus nombreux dans des pays comme Taiwan , le Japon , l'Inde et la Corée du Sud .
Outils et travaux
Du Système de positionnement mondial de production d'énergie électrique, les ingénieurs électriques ont contribué au développement d'un large éventail de technologies. Ils conçoivent, développer, tester et superviser le déploiement de systèmes électriques et des appareils électroniques. Par exemple, ils peuvent travailler sur la conception de systèmes de télécommunication , le fonctionnement de des centrales électriques, la l'éclairage et de câblage bâtiments, la conception de appareils ménagers ou électriques contrôle de machines industrielles.
Fondamentale à la discipline sont les sciences de la physique et les mathématiques que ceux-ci aident à obtenir à la fois une qualitative et description quantitative de la façon dont ces systèmes fonctionnent. Aujourd'hui, la plupart génie travail implique l'utilisation d' ordinateurs et il est courant d'utiliser programmes de conception assistée par ordinateur-lors de la conception de systèmes électriques. Néanmoins, la capacité d'esquisser des idées est toujours précieux pour communiquer rapidement avec les autres.
Bien que la plupart des ingénieurs électriques comprendront base théorie des circuits (ce est l'interaction des éléments tels que des résistances, condensateurs, des diodes, transistors et inducteurs dans un circuit), les théories utilisées par les ingénieurs dépendent généralement le travail qu'ils font. Par exemple, la mécanique quantique et la physique du solide pourrait être pertinent à un ingénieur travaillant sur VLSI (la conception de circuits intégrés), mais sont en grande partie sans rapport avec les ingénieurs qui travaillent avec les systèmes électriques macroscopiques. Même théorie des circuits peut ne pas être pertinentes pour les personnes la conception de systèmes de télécommunication qui utilisent composants off-the-shelf. Peut-être les compétences techniques les plus importantes pour les ingénieurs électriques sont reflétées dans les programmes universitaires, qui mettent l'accent sur les compétences numériques fortes , connaissances en informatique et la capacité de comprendre la langage technique et les concepts qui ont trait à l'ingénierie électrique.
Pour de nombreux ingénieurs, le travail technique ne représente qu'une fraction du travail qu'ils font. Beaucoup de temps peut également être consacré à des tâches telles que l'examen des propositions avec les clients, préparer budgets et détermination les calendriers des projets. Beaucoup de hauts ingénieurs gérer une équipe de techniciens ou d'autres ingénieurs et pour cette raison compétences de gestion de projet sont importants. La plupart des projets d'ingénierie impliquent une certaine forme de documentation et solides compétences en communication écrite sont donc très importantes.
Le lieux de travail des ingénieurs électriques sont aussi variées que les types de travail qu'ils font. Les ingénieurs électriciens peuvent être trouvés dans l'environnement de laboratoire d'une vierge usine de fabrication, les bureaux d'une cabinet de conseil ou sur place à un mienne . Au cours de leur vie professionnelle, les ingénieurs électriques peuvent se trouver la supervision d'un large éventail de personnes, y compris scientifiques, électriciens, programmeurs informatiques et d'autres ingénieurs.
Sous-disciplines
Génie électrique a de nombreuses sous-disciplines, les plus populaires sont énumérés ci-dessous. Bien qu'il existe des ingénieurs électriques qui se concentrent exclusivement sur l'un de ces sous-disciplines, beaucoup traitent avec une combinaison d'entre eux. Parfois, certains domaines, comme le génie électronique et génie informatique, sont considérés comme des disciplines distinctes dans leur propre droit.
Puissance
offres de Energétique avec le génération, transmission et la distribution de l'électricité ainsi que la conception d'une gamme de dispositifs connexes. Il se agit notamment transformateurs, générateurs électriques, moteurs électriques, l'ingénierie de haute tension et l'électronique de puissance. Dans de nombreuses régions du monde, les gouvernements maintiennent un réseau électrique appelé la grille d'alimentation qui relie une variété de générateurs ainsi que les utilisateurs de leur énergie. Les utilisateurs achètent l'énergie électrique à partir de la grille, en évitant l'exercice coûteux d'avoir à générer leur propre. ingénieurs électriques peuvent travailler sur la conception et l'entretien du réseau électrique ainsi que les systèmes d'alimentation qui s'y connectent. Ces systèmes sont appelés systèmes d'alimentation sur réseau et peuvent alimenter le réseau avec une puissance supplémentaire, consommer de l'énergie à partir du réseau ou de faire les deux. ingénieurs de puissance peuvent également travailler sur les systèmes qui ne se connectent pas au réseau, appelés systèmes d'alimentation hors réseau, qui dans certains cas sont préférables à des systèmes sur-grille. L'avenir comprend des systèmes de puissance de satellite contrôlé, avec rétroaction en temps réel pour éviter les surtensions et de prévenir les pannes de courant.
Contrôle
Technique de commande se concentre sur la modélisation d'un large éventail de systèmes dynamiques et la conception de les contrôleurs qui provoqueront à ces systèmes se comportent de la manière souhaitée. Pour mettre en œuvre ces contrôleurs ingénieurs électriques peuvent utiliser circuits électriques, des processeurs de signaux numériques, et microcontrôleurs Les automates (automates programmables). Technique de commande a une large gamme d'applications des systèmes de vol et de propulsion de avions commerciaux à la commande présent dans de nombreux modernes de croisière voitures . Il joue également un rôle important dans l'automatisation industrielle.
Les ingénieurs de contrôle utilisent souvent évaluations lors de la conception des systèmes de contrôle. Par exemple, dans une automobile avec le contrôle du véhicule de croisière la vitesse est surveillée en permanence et réinjecté dans le système qui ajuste la moteur de puissance de sortie en conséquence. Là où il ya une rétroaction régulière, la théorie du contrôle peut être utilisé pour déterminer comment le système répond à ces commentaires.
Électronique
Génie électronique comprend la conception et l'essai de des circuits électroniques qui utilisent les propriétés de des composants tels que des résistances, condensateurs, inductances, et diodes transistors pour réaliser une fonctionnalité particulière. Le circuit accordé, ce qui permet à l'utilisateur d'un poste de radio à filtrer toutes une seule station, ne est qu'un exemple d'un tel circuit. Un autre exemple (d'un conditionneur de signal pneumatique) est indiqué dans la photographie ci-contre.
Avant la seconde guerre mondiale, le sujet a été connue sous le nom technique de radio et, fondamentalement, était limitée aux aspects de communication et de radar , radio commerciale et la télévision au début . Plus tard, en poste années de guerre, comme des dispositifs de consommation ont commencé à être développé, le domaine a grandi pour inclure la télévision moderne, systèmes audio, ordinateurs et microprocesseurs. Du milieu à la fin des années 1950, l'ingénierie radio terme progressivement cédé la place à l'ingénierie électronique de nom.
Avant l'invention du circuit intégré , en 1959, des circuits électroniques ont été construits à partir de composants discrets pouvant être manipulées par l'homme. Ces circuits discrets consommé beaucoup d'espace et puissance et de la vitesse était limitée, même si elles sont encore monnaie courante dans certaines applications. En revanche, les circuits intégrés emballés un grand nombre, souvent millions-de minuscules composants électriques, principalement transistors, dans une petite puce de la taille d'une pièce de monnaie . Cela a permis aux puissants ordinateurs et autres appareils électroniques que nous voyons aujourd'hui.
Microelectronics
Microelectronics des offres d'ingénierie avec la conception de très petits composants de circuits électroniques pour une utilisation dans un circuit intégré ou parfois pour une utilisation sur leur propre comme un composant électronique générale. Les composants microélectroniques les plus communs sont semi-conducteurs transistors, bien que tous les principaux composants électroniques ( des résistances, condensateurs, inducteurs) peuvent être créés à un niveau microscopique.
Composants microélectroniques sont créés par la fabrication de plaquettes de semi-conducteurs chimiquement tels que le silicium (à des fréquences plus élevées, semi-conducteurs composés tels que l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium) pour obtenir le transport souhaitée de charge électronique et de contrôle de courant. Le domaine de la microélectronique nécessite une part importante de la chimie et de science des matériaux et nécessite l'ingénieur en électronique travaillant dans le domaine d'avoir une très bonne connaissance de travail des effets de la mécanique quantique .
Traitement du signal
Traitement du signal traite de l'analyse et de manipulations signaux. Les signaux peuvent être soit analogique, auquel cas le signal varie de façon continue en fonction des informations, ou numérique, auquel cas le signal varie en fonction d'une série de valeurs discrètes représentant des informations. Pour les signaux analogiques, traitement du signal peut impliquer l' amplification et filtrage de signaux audio pour un appareil audio ou le modulation et démodulation des signaux de télécommunications . Pour les signaux numériques, traitement du signal peut impliquer la compression, détection d'erreur et correction d'erreurs de signaux numériques échantillonnés.
Télécommunications
L'ingénierie des télécommunications se concentre sur la transmission de l'information à travers un tel qu'un canal câble coaxial, fibre optique ou espace libre. Transmissions à travers l'espace libre exigent des informations à coder dans un onde porteuse afin de passer l'information à un fréquence porteuse appropriée pour la transmission, ceci est connu comme modulation. Techniques de modulation analogique populaires incluent la modulation d'amplitude et modulation de fréquence. Le choix de la modulation influe sur le coût et les performances d'un système et ces deux facteurs doivent être soigneusement équilibrée par l'ingénieur.
Une fois les caractéristiques de transmission d'un système sont déterminés, les ingénieurs de télécommunication concevoir les émetteurs et récepteurs nécessaires pour de tels systèmes. Ces deux sont parfois combinés pour former un dispositif de communication bidirectionnelle connu comme un l'émetteur-récepteur. Une considération clé dans la conception d'émetteurs est leur consommation d'énergie car cela est étroitement lié à leur force du signal. Si l'intensité du signal d'un émetteur est insuffisant de l'information du signal est altérée par bruit.
ingénierie Instrumentation
ingénierie Instrumentation traite de la conception de dispositifs pour mesurer des quantités physiques telles que la pression, le débit et la température . La conception de ces instruments nécessite une bonne compréhension de la physique qui se étend souvent au-delà de la théorie électromagnétique . Par exemple, pistolets radars utilisent le effet Doppler pour mesurer la vitesse des véhicules venant en sens inverse. De même, thermocouples utilisent Effet Peltier Seebeck pour mesurer la différence de température entre deux points.
Souvent l'instrumentation ne est pas utilisé par lui-même, mais plutôt comme la des capteurs de systèmes électriques plus grandes. Par exemple, un thermocouple peut être utilisée pour aider à assurer la température d'un four reste constante. Pour cette raison, l'ingénierie d'instrumentation est souvent considérée comme la contrepartie de l'ingénierie de contrôle.
Ordinateurs
Génie informatique traite de la conception des ordinateurs et des systèmes informatiques . Cela peut impliquer la conception de nouveaux le matériel, la conception de PDA ou l'utilisation des ordinateurs pour contrôler une installation industrielle . Les ingénieurs informaticiens peuvent également travailler sur un système de logiciel. Cependant, la conception de systèmes logiciels complexes est souvent le domaine de génie logiciel, qui est généralement considéré comme une discipline à part entière. Les ordinateurs de bureau représentent une infime fraction des dispositifs un ingénieur en informatique peut travailler sur, que des architectures informatiques comme se trouvent maintenant dans une gamme d'appareils, y compris les consoles de jeux vidéo et lecteur de DVD.
Disciplines connexes
La mécatronique est une discipline d'ingénierie qui traite de la convergence des électrique et systèmes mécaniques. De tels systèmes sont connus comme combinés systèmes électromécaniques et ont adoption généralisée. Des exemples comprennent systèmes de fabrication automatisés, chauffage, de ventilation et de climatisation et divers sous-systèmes de l'aéronef et de voitures .
Les mécatronique terme est généralement utilisé pour désigner systèmes macroscopiques, mais futuristes ont prédit l'émergence de très petits dispositifs électromécaniques. Déjà ces petits appareils, appelés micro systèmes électromécaniques (MEMS), sont utilisés dans les automobiles de dire airbags quand déployer, dans projecteurs numériques pour créer des images plus nettes et en imprimantes jet d'encre pour créer des buses pour l'impression haute définition. Dans l'avenir, il espère que les dispositifs aidera à construire de minuscules dispositifs médicaux implantables et améliorer communication optique.
Génie biomédical est une autre discipline connexe, concernés par la conception de équipement médical. Cela comprend les installations fixes telles que ventilateurs, Scanners IRM et moniteurs électrocardiographe ainsi que les équipements mobiles tels que les implants cochléaires, pacemakers artificiels et coeurs artificiels.
