[科普中国]-电气工程学

电气工程学是以电子学、电磁学等物理学分支为基础，涵盖电子学、电子计算机、电力工程、电信、控制工程、信号处理等子领域的一门工程学。十九世纪后半期以来，随着电报、电话、电能在供应与使用方面的商业化，该学科逐渐发展为相对独立的专业领域。

电气工程广义上涵盖该领域的分支，但在有些地方，“电气工程学”（英语：Electrical Engineering）一词的意义有时不包括“电子工程学”（英语：Electronic Engineering）。 这个情况下，“电气工程学”是指涉及到大能量的电力系统（如电能传输、重型电机机械及电动机），而“电子工程”则是指处理小信号的电子系统（如计算机和集成电路）。

另一种区分法为，电力工程师着重于电能的传输，而电子工程师则着重于利用电子信号进行信息的传输。这些子领域的范围有时也会重叠：例如，电力电子学使用电力电子元件对电能进行变换和控制；又如，智慧电网侦测电能供应者的电能供应状况与一般家庭使用者的电能使用状况，并据之调整家电用品的耗电量，以此达到节约能源、降低损耗、增强输电网络可靠性的目的。因此，电气工程亦函盖电子工程部分领域的专业知识。

历史自从十七世纪初期，关于电的现象就已经成为一门科学探索论题。1威廉·吉尔伯特大概是最早几位电气工程师之一，他首先设计出用于侦测静电荷存在的静电验电器，亦最先明确地分辨与指出磁与电的不同，并且为术语“电”命名。1775年，亚历山德罗·伏打做科学实验改良完善了可用于制造静电荷的起电盘（electrophorus）。1800年，他又成功开发出能够持续产生比较稳定电流的伏打堆，是最早出现的化学电池。然而，相关的研究直到19世纪才正式展开。

19世纪电气工程学的发展麦可·法拉第发现电磁感应，从而奠定了电动机科技的基础。

1827年，格奥尔格·欧姆提出的欧姆定律表明电流、电压及电阻之间在电路里的定量关系。1831年，麦可·法拉第发现电磁感应作用。1873年，詹姆斯·麦克斯韦在著作《电磁通论》里整合前人工作，提出麦克斯韦方程组，从此开启经典电动力学的纪元。

从1830年代起，对于电磁学知识的实际应用所做的种种努力最终得到一个重要成果，那就是电报技术。19世纪落幕时，由于陆线（land-line）、海底电缆及约1890年无线电报术（wireless telegraphy）的出现，快速通讯终于得以实现，整个世界的通讯建构也因此彻底被改变。

为了确保当表述与应用电磁学理论时，在度量衡方面不会遭遇困难与误解，拟定一套简易与便利的度量衡标准单位显得尤为必要。对于这方面的研究促使国际标准单位的设定与采用，如伏特、安培、库仑、法拉与亨利。这一国际标准制度于1893年在芝加哥达成共识，从而奠定了各种工业对于标准单位制度未来进步的基础。很多国家即刻立法承认这些国际标准单位有效。

在这几十年里，电气工程学笼统地被归类为物理学的一个分支领域。1882年，德国的达姆施塔特工业大学置立世界第一个电气工程学教授席位。同年，麻省理工学院物理系开始推出电气工程学方向的学士学位课程。1883年，达姆施塔特工业大学建立电机系，成为全世界最先创建电机系的大学。1985年，康乃尔大学成为美国最先建立电机系的大学。1885年，伦敦大学学院创立了英国首所“电机技术系”，第一任系主任为约翰·弗莱明，几年后系名改为电气工程系。1886年，密苏里大学也建立了电气工程系，据一些文献所述，密苏里大学正是最先建立电气工程系的美国大学很快地，包括乔治亚理工学院在内的许多大学都仿效之设立电气工程系。

汤玛斯·爱迪生建成全世界第一个大型电力网

经过这几十年发展，电气工程学的应用领域急剧地扩大。1882年，汤玛斯·爱迪生建成全世界第一个大型电力网，能够提供电压为110伏特的直流电给59位纽约曼哈顿岛顾客。1884年，查尔斯·帕森斯爵士（Sir Charles Parsons）发明了蒸汽涡轮发动机。现在，使用涡轮发动机从各种各样的热能源转化出的机械能，总共可以提供全世界电能用量的80%左右。

尼古拉·特斯拉开发出变压器与感应电动机，它们是交流电系统的重要装置。

1880年代后期，见证了两种显著不同的电能传输方式的文明对抗。原本直流电方式使用直流电来传输电能，新近出现的交流电方式使用交流电来传输电能，这引发一场所谓的“电流战争”。交流电方式的发电技术与电能传输技术比较优良，特别是交流电允许使用变压器来提升或降低的电压（这是直流电方式的一大缺乏）。另外，使用高压交流电大大地扩展了电能传输的范围，使用变压器提升电能传输的安全性和效率。由于上述这些优势，交流供电方式逐渐取代直流供电方式。

近代发展在无线电技术发展期间，许多科学家和发明家分别对无线电和电子学做出了贡献。于1888年所做的经典实验中，海因里希·赫兹使用电机设备传输并接收到无线波段的无线电波，以此证实无线电波存在。1895年时，尼古拉·特斯拉从他在纽约实验室发射出的无线电信号，在距离大约50公里之远的纽约西点都可以接收得到。

1897年时，卡尔·布劳恩开始将阴极射线管装配于示波器中，之后阴极射线管也成为电视机的关键零组件。1904年时，约翰·弗莱明首先发明二极管，两年后，罗伯特·凡李本（Robert von Lieben）和李·德富雷斯特也分别独立发明出一种能够放大电流的真空管——三极管（又称“放大管”）。

1895年，古列尔莫·马可尼进一步改良了赫兹的无线电传送方法，将无线电信号传送距离延长到1.5英里（2.4公里）。1901年12月，为了要证实他已掌握到更先进的传送无线电波的科技，能够完全不受到地球曲度影响，他从英国康沃尔郡发射站发射出无线电信号，穿越大西洋上空，在大西洋的另一边，加拿大纽芬兰圣约翰斯，居然收到了信号，两处之间距离为2,100英里（3,400千米）！1920年时，阿尔伯特·赫耳（Albert Hull）发明了可生成微波的真空管——磁控管（magnetron）。1945年波西·斯本色（Percy Spencer）进而以此成功开发出微波炉。1934年，在哈利·温佩利斯（Harry Wimperis）的指导下，英国陆军开始利用微波科技来开发雷达，在鲍德希（Bawdsey）成立第一座雷达站，并于1936年8月开始运作。

1941年，德国科学家康拉德·楚泽展示了用机电元件制成的全世界第一部全功能可程序化电脑，即Z3系统。1943年，汤米·傅劳斯（Tommy Flowers）设计与制成巨像电脑，这是一部前所未有、完全用电子元件制成的固定程序、可编程化数字电脑。1946年2月15日，美军在第二次世界大战中由美国陆军投资研制的电子数值积分计算器（ENIAC），在先驱约翰·莫克利（John Mauchly）、约翰·伊克特（John Eckert）的督导下，诞生于美国宾夕法尼亚大学。ENIAC一般被认为是世上第一部“一般用途”电子计算机，它的发明是现代计算机发展史上重要的里程碑。

学科教育电机工程师通常会经过“电机工程学”、“电子工程”或“电力电子工程”等名目的学位教育。2尽管各种学位的侧重有所不同，但是它们大都要求学生学习一系列共同的基础课程。完成学业一般需要四年或五年时间。由于学校的性质有别，学生在完成学业之后可能会被授予工学学士、理学学士、技术学士（Bachelor of Technology）、应用科学学士（Bachelor of Applied Science）中的一种学位。电机工程学的学士学位大多要求学生学习物理学、数学、计算机科学等必修课程、完成一个或多个与专业知识应用有关的项目设计，并选修一系列与电机工程学有关的其他课程。 这些准备课程会让学生学习到电机工程学的基本原理和基本实践技能。随后，学生可以根据自己专注与兴趣选择一个或多个子学科修读，直到毕业。在许多学校，电子工程被包含在电机工程学之中，另一些学校则认为二者各自治理的学术知识足够宽广复杂，可以分头发展。

有的电机工程师选择在毕业后继续进行研究生阶段的学习，争取获得研究生学位，例如工程硕士（Master of Engineering）、理学硕士，或攻读哲学博士、工程博士（Engineering Doctorate）学位。电机工程学的硕士课程由课程作业、研究二者或二者之一构成。而博士课程则更侧重专题的研究，经常被视为是电气工程师学术生涯的起点。在英国和一些欧洲国家，工程硕士的学习经常被认为是本科学位的一个较小延伸，而不是严格意义上的研究生学习。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所