電気工学

電気工学
長い断路器の列
職業
名前電気技師
活動分野
電子工学、電気回路、電磁気学、電力工学、電気機械、電気通信、制御システム、信号処理、光学、フォトニクス、変電所
説明
能力技術的知識、高度な数学、システム設計、物理学、科学、抽象的思考、分析的思考（電気電子工学用語集も参照）
雇用分野
技術、科学、探査、軍事、産業、社会

電気工学は、電気、電子工学、電磁気学を利用する機器、装置、システムの研究、設計、応用を扱う工学分野です。19世紀後半、電信、電話、そして電力の発電、配電、利用が 商業化されたことで、明確な専門職として確立されました。

電気工学は、コンピュータ工学、システム工学、電力工学、電気通信、無線周波数工学、信号処理、計測、制御工学、太陽電池、電子工学、光学・フォトニクスなど、幅広い分野に分かれています。これらの分野の多くは他の工学分野と重複しており、ハードウェア工学、パワーエレクトロニクス、電磁気学・波動学、マイクロ波工学、ナノテクノロジー、電気化学、再生可能エネルギー、メカトロニクス／制御、電気材料科学など、膨大な数の専門分野にまたがっています。 [ a ]電気技術者は、これらの分野との重複が大きい​​ため 、機械学習やコンピュータサイエンスの技術も研究しています。

電気技師は通常、電気工学、電子工学、または電気電子工学の学位を取得しています。現役の技術者は、専門資格を取得し、専門団体または国際標準化団体の会員になることができます。これらの団体には、国際電気標準会議（IEC）、米国専門技術者協会（NSPE）、電気電子技術者協会（IEEE）、および工学技術協会（IET、旧IEE）などがあります。

電気技師は非常に幅広い業界で活躍しており、求められるスキルも多岐にわたります。回路理論からプロジェクトマネージャーのマネジメントスキルまで、多岐にわたります。個々のエンジニアが必要とするツールや機器も同様に多様で、シンプルな電圧計から高度な設計・製造ソフトウェアまで多岐にわたります。

歴史

電気は、少なくとも17世紀初頭から科学的関心の対象となってきました。ウィリアム・ギルバートは初期の著名な電気科学者であり、磁気と静電気を明確に区別した最初の人物です。彼は「電気」という用語を確立した人物として知られています。[ 1 ]彼はまた、静電気を帯びた物体の存在を検知する装置であるベルソリウムを設計しました。1762年、スウェーデンのヨハン・ウィルケ教授は、後にエレクトロフォラスと名付けられる静電気を発生させる装置を発明しました。 [ 2 ] 1800年までに、アレッサンドロ・ボルタは電池の前身となる ボルタ電池を開発しました。

19世紀

マイケル・ファラデーの発見は電気モーター技術の基礎を形成しました。

19世紀には、この分野の研究が活発化し始めました。この世紀の注目すべき発展としては、1820年に電流が磁界を生成し、それが方位磁針を偏向させることを発見したハンス・クリスチャン・エルステッド、 1825年に電磁石を発明したウィリアム・スタージョン、 1835年に電気リレーを発明したジョセフ・ヘンリーとエドワード・デービー、1827年に導体内の電流と電位差の関係を定量化したゲオルク・オーム、1831年に電磁誘導を発見したマイケル・ファラデー、そして1873年に論文『電気と磁気』で電気と磁気の統一理論を発表したジェームズ・クラーク・マクスウェルの研究が挙げられます。[ 3 ]

1782年、ジョルジュ＝ルイ・ル・サージュは、アルファベットの各文字に対応する24本の異なる電線を用いた、おそらく世界初の電気電信を開発し、ベルリンで発表しました。この電信は2つの部屋を繋ぎ、電気伝導によって金箔を動かす静電電信でした。

1795年、フランシスコ・サルバ・カンピージョは静電電信システムを提案した。1803年から1804年にかけて彼は電気電信の研究に取り組み、1804年にバルセロナ王立自然科学芸術アカデミーで論文を発表した。サルバの電解質電信システムは非常に革新的であったが、1800年にヨーロッパで行われた2つの発見、すなわちアレッサンドロ・ボルタによる電流を発生させる電池と、ウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルによる水の電気分解に大きく影響を受けていた。[ 4 ]電気電信は電気工学の最初の例と考えることができる。[ 5 ]電気工学は19世紀後半に専門職となった。実践者たちは世界的な電信網を作り、新しい分野を支援するためにイギリスとアメリカで最初の専門電気工学機関が設立された。フランシス・ロナルズは1816年に電信システムを作り、電気によって世界がどのように変わるかについての彼のビジョンを記録した。[ 6 ] [ 7 ] 50年以上後、彼は新設の電信技術者協会（すぐに電気技術者協会に改名される）に入会し、他の会員から同世代の第一人者とみなされた。[ 8 ] 19世紀末までに、地上通信線、海底ケーブル、そして1890年頃から無線通信の技術的発展によって可能になった高速通信によって世界は永久に変わった。

これらの分野における実用化と進歩により、標準化された計測単位の必要性が高まりました。その結果、ボルト、アンペア、クーロン、オーム、ファラッド、ヘンリーといった単位が国際的に標準化されました。これは1893年にシカゴで開催された国際会議で達成されました。[ 9 ]これらの標準規格の発行は、様々な産業における標準化の進展の基礎となり、多くの国でその定義が関連法規に直ちに取り入れられました。[ 10 ]

この時代、電気の研究は物理学の一分野と広く考えられていました。これは、初期の電気技術が本質的に電気機械的なものと考えられていたためです。ダルムシュタット工科大学は1882年に世界初の電気工学科を設立し、1883年には電気工学の初等課程を導入しました。[ 11 ]アメリカ合衆国で最初の電気工学の学位プログラムは、マサチューセッツ工科大学(MIT) 物理学科のチャールズ・クロス教授のもとで開始されました。[ 12 ]しかし、世界初の電気工学の卒業生を輩出したのは1885年のコーネル大学でした。 [ 13 ]電気工学の最初のコースは、1883年にコーネル大学のシブリー機械工学・機械芸術学部で開講されました。[ 14 ]

1885年頃、コーネル大学の学長アンドリュー・ディクソン・ホワイトは、米国で最初の電気工学部を設立しました。[ 15 ]同年、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンは、英国で最初の電気工学科を設立しました。[ 16 ]ミズーリ大学のメンデル・P・ワインバッハ教授は、1886年に電気工学部を設立しました。 [ 17 ]その後、大学や工科大学は徐々に世界中の学生に電気工学プログラムを提供するようになりました。

この数十年間で電気工学の利用は飛躍的に増加しました。1882年、トーマス・エジソンは世界初の大規模電力網を開通させ、ニューヨーク市マンハッタン島の59の顧客に110ボルト（直流）の電力を供給しました。1884年には、サー・チャールズ・パーソンズが蒸気タービンを発明し、より効率的な発電を可能にしました。交流は、変圧器を使用することでより効率的に長距離に電力を伝送する能力があり、1880年代と1890年代に、カーロイ・ツィペルノフスキー、オットー・ブラティ、ミクサ・デーリ（後にZBD変圧器と呼ばれる）、リュシアン・ゴラール、ジョン・ディクソン・ギブス、ウィリアム・スタンレー・ジュニアによる変圧器の設計により急速に発展しました。誘導モーターを含む実用的なACモーターの設計は、ガリレオ・フェラリスとニコラ・テスラによって独立して発明され、ミハイル・ドリヴォ＝ドブロボルスキーとチャールズ・ウジェーヌ・ランスロット・ブラウンによって実用的な3相形式にさらに開発されました。[ 18 ]チャールズ・シュタインメッツとオリバー・ヘヴィサイドは交流工学の理論的基礎に貢献しました。[ 19 ] [ 20 ]交流電力の普及により、米国ではジョージ・ウェスティングハウスが推進する交流電力システムとトーマス・エジソンが推進する直流電力システムの間で電流戦争と呼ばれる争いが起こり、最終的には交流電力が標準電力として採用されました。[ 21 ]

20世紀初頭

長距離無線通信の先駆的研究で知られるグリエルモ・マルコーニ

無線の発展の過程では、多くの科学者や発明家が無線技術と電子工学に貢献しました。1850年代のジェームズ・クラーク・マクスウェルの数学的研究は、目に見えない空気伝搬波（後に「電波」と呼ばれる）の可能性を含む、様々な形態の電磁放射の関係を示しました。1888年の古典的な物理学実験において、ハインリヒ・ヘルツはスパークギャップ送信機を用いて無線波を送信し、簡単な電気機器を用いてそれを検出することでマクスウェルの理論を証明しました。他の物理学者たちもこれらの新しい波の実験を行い、その過程で送信および検出のための装置を開発しました。1895年、グリエルモ・マルコーニは、これらの「ヘルツ波」の送信および検出の既知の方法を、専用の商用無線電信システムに適応させる方法の研究に着手しました。初期段階で、彼は1.5マイルの距離に無線信号を送信しました。1901年12月には、地球の曲率の影響を受けない無線波を送信しました。マルコーニは後に、大西洋を越えてコーンウォールのポルドゥとニューファンドランドのセントジョンズ間の2,100マイル（3,400 km）の距離に無線信号を送信した。[ 22 ]

ミリ波通信は、1894年から1896年にかけてジャガディッシュ・チャンドラ・ボースによって初めて研究され、彼は実験で60GHzという非常に高い周波数に到達しました。 [ 23 ]彼はまた、電波を検出するために半導体接合の使用を導入し、 [ 24 ] 1901年に電波結晶検出器の特許を取得しました。 [ 25 ] [ 26 ] 

1897年、カール・フェルディナント・ブラウンはオシロスコープの一部としてブラウン管を発表しました。これは電子テレビジョンの実現に不可欠な技術でした。[ 27 ]ジョン・フレミングは1904年に最初のラジオ管であるダイオードを発明しました。 2年後、ロバート・フォン・リーベンとリー・ド・フォレストはそれぞれ独立して三極管と呼ばれる増幅管を開発しました。[ 28 ]

1920年、アルバート・ハルはマグネトロンを開発し、これは最終的に1946年にパーシー・スペンサーによる電子レンジの開発につながった。[ 29 ] [ 30 ] 1934年、イギリス軍はウィンペリス博士の指揮の下、レーダー（これもマグネトロンを使用）の開発に着手し、 1936年8月にボージーで最初のレーダー基地の運用に至った。[ 31 ]

1941年、コンラート・ツーゼは世界初の電気機械部品を用いた完全機能型プログラム可能コンピュータZ3を発表しました。1943年には、トミー・フラワーズが世界初の完全機能型電子式デジタルプログラム可能コンピュータColossusを設計・構築しました。 [ 32 ] [ 33 ] 1946年には、ジョン・プレスパー・エッカートとジョン・モークリーによるENIAC（電子数値積分コンピュータ）が続き、コンピュータ時代の幕開けとなりました。これらのマシンの演算性能は、エンジニアたちに全く新しい技術の開発と新たな目標の達成を可能にしました。[ 34 ]

1948年、クロード・シャノンは不確実性（電気ノイズ）を伴う情報伝達を数学的に記述した「通信の数学的理論」を発表しました。

固体電子機器

最初の実用的なトランジスタである点接触型トランジスタのレプリカ
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）、現代の電子機器の基本構成要素

最初の実用的なトランジスタは、1947年にベル電話研究所（BTL）でウィリアム・ショックレーの下で働いていたジョン・バーディーンとウォルター・ハウザー・ブラッテンによって発明された点接触型トランジスタでした。 [ 35 ]その後、彼らは1948年にバイポーラ接合トランジスタを発明しました。 [ 36 ]初期の接合型トランジスタは比較的かさばるデバイスであり、大量生産が困難でしたが、[ 37 ]よりコンパクトなデバイスへの道を開いたのです。[ 38 ]

最初の集積回路は、1958年にテキサス・インスツルメンツのジャック・キルビーが発明したハイブリッド集積回路と、 1959年にフェアチャイルドセミコンダクターのロバート・ノイスが発明したモノリシック集積回路チップでした。[ 39 ]

MOSFET （金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、またはMOSトランジスタ）は、1959年にBTLのモハメド・アタラとダウォン・カーンによって発明されました。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]これは、幅広い用途向けに小型化・大量生産が可能になった最初の真にコンパクトなトランジスタでした。[ 37 ]これはエレクトロニクス業界に革命をもたらし、[ 43 ] [ 44 ]世界で最も広く使用されている電子機器となりました。[ 41 ] [ 45 ] [ 46 ]

MOSFET により、高密度の集積回路チップの製造が可能になりました。[ 41 ]最も初期の実験的な MOS IC チップは、1962 年にRCA 研究所の Fred Heiman と Steven Hofstein によって作られました。 [ 47 ] MOS 技術により、1965 年にGordon Mooreが予言した、IC チップ上のトランジスタが 2 年ごとに倍増するというムーアの法則が実現しました。 [ 48 ]シリコン ゲートMOS 技術は、 1968 年に Fairchild のFederico Fagginによって開発されました。 [ 49 ]それ以来、MOSFET は現代の電子機器の基本的な構成要素となっています。[ 42 ] [ 50 ] [ 51 ]シリコン MOSFET と MOS 集積回路チップの大量生産、および(ムーアの法則で予言されたように) 継続的なMOSFET のスケーリング小型化により、テクノロジー、経済、文化、考え方に革命的な変化がもたらされました。[ 52 ]

1969年にアポロ11号で宇宙飛行士を月に着陸させることに成功したアポロ計画は、惑星間監視プラットフォーム（IMP）[ 53 ] [ 54 ]のMOSFETやアポロ誘導コンピュータ（AGC）[ 55 ]のシリコン集積回路チップなど、半導体電子技術の進歩をNASAが採用したことによって可能になった。

1960年代のMOS集積回路技術の発達は、1970年代初頭のマイクロプロセッサの発明につながった。 [ 56 ] [ 57 ]最初のシングルチップマイクロプロセッサは1971年にリリースされたIntel 4004であった。 [ 56 ] Intel 4004は、IntelのFederico FagginがシリコンゲートMOS技術を使用して設計、実現した。[ 56 ] IntelのMarcian Hoff、Stanley Mazor、BusicomのShima Masatoshi Shimaと協力した。[ 58 ]このマイクロプロセッサは、マイクロコンピュータとパーソナルコンピュータの発達、そしてマイクロコンピュータ革命をもたらした。

電気工学と人工知能

近年、機械学習（音声システム、コンピュータービジョン、強化学習を含む）は、信号処理、画像処理、制御工学といった電気工学分野と大きく重複しており、電気技術者によって頻繁に研究されています。機械学習技術は、電子設計自動化、確率的・適応制御、スマートグリッド、適応信号処理といったサブフィールドの電気工学システムにも利用されています。

サブフィールド

電気の特性の一つは、エネルギー伝送だけでなく情報伝送にも非常に有用であるということです。これらは電気工学が最初に発展した分野でもありました。今日、電気工学には多くのサブ分野があり、その中で最も一般的なものを以下に示します。これらのサブ分野のいずれかに特化している電気技術者もいますが、多くの技術者は複数のサブ分野を組み合わせて扱っています。電子工学やコンピュータ工学など、特定の分野は独立した学問分野としてみなされることもあります。

力とエネルギー

電柱の頂上

電力・エネルギー工学は、発電、送電、配電に加え、様々な関連機器の設計を扱います。[ 59 ]これらには、変圧器、発電機、電動機、高電圧工学、パワーエレクトロニクスが含まれます。世界の多くの地域では、政府が電力網と呼ばれる電気ネットワークを維持管理しており、これは様々な発電機とそのエネルギーの利用者を接続します。利用者は電力網から電気エネルギーを購入することで、自家発電するというコストのかかる作業を回避します。電力技術者は、電力網だけでなく、それに接続する電力システムの設計や保守にも携わることがあります。[ 60 ]このようなシステムはオングリッド電力システムと呼ばれ、電力網に追加の電力を供給したり、電力網から電力を引き出したり、またはその両方を行ったりします。電力技術者は、オフグリッド電力システムと呼ばれる、電力網に接続しないシステムにも携わる場合があり、オングリッドシステムよりも好ましい場合もあります。

通信

衛星アンテナは衛星情報の分析において重要な要素です。

電気通信工学は、同軸ケーブル、光ファイバー、自由空間などの通信チャネルを介した情報伝送に焦点を当てています。[ 61 ]自由空間を介した伝送では、情報を搬送信号に符号化し、伝送に適した搬送周波数にシフトする必要があります。これは変調と呼ばれます。一般的なアナログ変調技術には、振幅変調と周波数変調があります。[ 62 ]変調の選択はシステムのコストと性能に影響を与えるため、エンジニアはこれら2つの要素を慎重にバランスさせる必要があります。

システムの伝送特性が決定されると、通信技術者はシステムに必要な送信機と受信機を設計します。これら2つは、トランシーバーと呼ばれる双方向通信デバイスを形成するために組み合わされることもあります。送信機の設計において重要な考慮事項は消費電力です。これは信号強度と密接に関連しているからです。 [ 63 ] [ 64 ]一般的に、送信信号が受信機のアンテナに到達した時点で電力が不十分な場合、信号に含まれる情報はノイズ、特に静電気によって破損してしまいます。

制御工学

制御システムは宇宙飛行において重要な役割を果たします。

制御工学は、多様な動的システムのモデリングと、これらのシステムを所望の動作に導くコントローラの設計に重点を置いています。 [ 65 ]このようなコントローラを実装するために、電子制御エンジニアは電子回路、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）を使用します。制御工学は、民間航空機の飛行・推進システムから、多くの現代自動車に搭載されているクルーズコントロールまで、幅広い応用範囲を持っています。[ 66 ]また、産業オートメーションにおいても重要な役割を果たしています。

制御エンジニアは制御システムを設計する際にフィードバックを頻繁に利用します。例えば、クルーズコントロール付きの自動車では、車両の速度が継続的に監視され、システムにフィードバックされ、それに応じてモーターの出力が調整されます。[ 67 ]定期的なフィードバックがある場合、制御理論はシステムがそのようなフィードバックにどのように応答するかを決定するために使用できます。

制御エンジニアはロボット工学分野でも働いており、制御アルゴリズムを使用して感覚フィードバックを解釈し、自律走行車、自律ドローン、その他さまざまな産業で使用されるロボットを動かすアクチュエータを制御する自律システムを設計しています。 [ 68 ]

エレクトロニクス

電子部品

電子工学は、抵抗器、コンデンサ、インダクタ、ダイオード、トランジスタなどの部品の特性を利用して特定の機能を実現する電子回路の設計と試験を扱います。 [ 60 ]ラジオの受信時に特定の局以外のすべての放送局をフィルタリングできるようにする同調回路は、そのような回路の一例にすぎません。研究すべきもう一つの例として、空気圧式信号調整器があります。

第二次世界大戦以前は、この分野は一般的に無線工学と呼ばれており、通信とレーダー、商用ラジオ、初期のテレビといった分野に限定されていました。[ 60 ]その後、戦後、民生用機器の開発が始まると、この分野は現代のテレビ、オーディオシステム、コンピュータ、マイクロプロセッサを含むようになりました。1950年代半ばから後半にかけて、「無線工学」という用語は徐々に「電子工学」という名称に取って代わられました。

1959年に集積回路が発明される以前[ 69 ] 、電子回路は人間が操作できる個別の部品で構成されていました。これらの個別回路は多くのスペースと電力を消費し、速度も限られていましたが、一部の用途では今でも広く使用されています。対照的に、集積回路は、主にトランジスタを中心とする多数の（しばしば数百万個）微小な電気部品を、コイン大の小さなチップに詰め込んでいました[ 70 ] 。これにより、今日見られるような強力なコンピュータやその他の電子機器が実現しました。

マイクロエレクトロニクスとナノエレクトロニクス

マイクロプロセッサ

マイクロエレクトロニクス工学は、集積回路で使用するため、または場合によっては一般的な電子部品として単独で使用するための非常に小さな電子回路部品の設計と微細加工を扱います。 [ 71 ]最も一般的なマイクロエレクトロニクス部品は半導体トランジスタですが、すべての主要な電子部品（抵抗器、コンデンサなど）は顕微鏡レベルで作成できます。

ナノエレクトロニクスとは、デバイスをナノメートルレベルまでさらに微細化する技術です。現代のデバイスはすでにナノメートル領域に達しており、2002年頃から100nm以下のプロセスが標準となっています。[ 72 ]

マイクロエレクトロニクス部品は、シリコンなどの半導体（高周波ではガリウムヒ素やインジウムリンなどの化合物半導体）のウェハを化学的に加工することで製造され、所望の電荷輸送と電流制御を実現します。マイクロエレクトロニクスの分野は化学と材料科学の分野を幅広く含み、この分野で働く電子技術者は量子力学の影響に関する高度な実用的知識を有していなければなりません。[ 73 ]

信号処理

CCDのベイヤーフィルターでは、各ピクセルの赤、緑、青の値を取得するために信号処理が必要です。

信号処理は信号の分析と操作を扱う。[ 74 ]信号はアナログ信号（情報に応じて連続的に変化する信号）とデジタル信号（情報を表す一連の離散値に応じて変化する信号）のいずれかである。アナログ信号の場合、信号処理にはオーディオ機器の音声信号の増幅とフィルタリング、または通信信号の変調と復調が含まれる。デジタル信号の場合、信号処理にはデジタルサンプリングされた信号の圧縮、エラー検出、エラー訂正が含まれる。[ 75 ]

信号処理は、デジタル信号処理の中核を成す、数学的指向が強く、高度な分野です。通信、制御、レーダー、音響工学、放送工学、パワーエレクトロニクス、バイオメディカル工学など、電気工学のあらゆる分野において、既存のアナログシステムがデジタルシステムに置き換えられるにつれ、新たな応用が急速に拡大しています。アナログ信号処理は、多くの制御システムの設計において依然として重要な役割を果たしています。

DSPプロセッサICは、デジタルテレビ、[ 76 ]ラジオ、Hi-Fiオーディオ機器、携帯電話、マルチメディアプレーヤー、カムコーダ、デジタルカメラ、自動車制御システム、ノイズキャンセリングヘッドホン、デジタルスペクトラムアナライザ、ミサイル誘導システム、レーダーシステム、テレマティクスシステムなど、多くの種類の現代の電子機器に搭載されています。これらの製品では、DSPはノイズ低減、音声認識または合成、デジタルメディアのエンコードまたはデコード、データのワイヤレス送受信、 GPSを使用した三角測量、その他の画像処理、ビデオ処理、オーディオ処理、音声処理を担っています。[ 77 ]

計装

飛行計器は、パイロットに航空機を分析的に制御するためのツールを提供します。

計装工学は、圧力、流量、温度といった物理量を測定する装置の設計を扱います。 [ 78 ]このような計器の設計には、電磁気学理論を超えた物理学の深い理解が求められます。例えば、飛行計器は風速や高度といった変数を測定し、パイロットが航空機を解析的に制御できるようにします。同様に、熱電対はペルチェ・ゼーベック効果を利用して2点間の温度差を測定します。[ 79 ]

多くの場合、計装は単独で使用されるのではなく、より大規模な電気システムのセンサーとして使用されます。例えば、熱電対は炉の温度を一定に保つために使用されることがあります。[ 80 ]このため、計装工学は制御工学の対極に位置するものとして捉えられることが多いのです。

コンピューター

スーパーコンピュータは、計算生物学や地理情報システムなどさまざまな分野で使用されています。

コンピュータ工学は、コンピュータおよびコンピュータシステムの設計を扱います。これには、新しいハードウェアの設計が含まれる場合があります。コンピュータエンジニアは、システムのソフトウェアにも取り組むことがあります。ただし、複雑なソフトウェアシステムの設計は、通常、別の分野と見なされているソフトウェアエンジニアリングの領域です。[ 81 ]デスクトップコンピュータは、コンピュータエンジニアが取り組む可能性のあるデバイスのごく一部に過ぎません。コンピュータのようなアーキテクチャは、現在、ビデオゲームコンソールやDVDプレーヤーを含むさまざまな組み込みデバイスに使用されているためです。コンピュータエンジニアは、コンピューティングのハードウェアとソフトウェアの多くの側面に関与しています。[ 82 ]ロボットは、コンピュータ工学の応用分野の1つです。

フォトニクスと光学

電波（1 km）からガンマ線（0.01 nm）までの波長を示す電磁スペクトル。可視光。電気工学アプリケーションにおける情報伝送では、Cバンド（1530～1565 nm）の赤外線が最もよく使用されます。

フォトニクスと光学は、電磁放射の生成、伝送、増幅、変調、検出、および分析を扱います。光学の応用は、レンズ、顕微鏡、望遠鏡、その他電磁放射の特性を利用する機器などの光学機器の設計を扱います。光学の他の主要な応用としては、電気光学センサーおよび測定システム、レーザー、光ファイバー通信システム、光ディスクシステム（CDやDVDなど）などがあります。フォトニクスは、光技術を基盤として、オプトエレクトロニクス（主に半導体）、レーザーシステム、光増幅器、新素材（メタマテリアルなど）などの最新の技術開発によって補完されています。

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メカトロニクスは、電気システムと機械システムの融合を扱う工学分野です。このような複合システムは電気機械システムとして知られ、広く採用されています。例としては、自動製造システム[ 83 ] 、 [ 84]、暖房・換気・空調システム[85 ] 、航空機や自動車の様々なサブシステムなどが挙げられます。[ 85 ]電子システム設計は、電気工学における複雑な電気・機械システムの多分野にわたる設計課題を扱う分野です。[ 86 ]

メカトロニクスという用語は通常、マクロなシステムを指すために使用されますが、未来学者たちは非常に小さな電気機械デバイスの出現を予測しています。既に、このような小型デバイスは微小電気機械システム（MEMS）として知られており、自動車ではエアバッグの展開タイミングを指示するために、[ 87 ] 、デジタルプロジェクターではより鮮明な画像を作成するために、インクジェットプリンターでは高解像度印刷用のノズルを作成するために使用されています。将来的には、これらのデバイスが小型の埋め込み型医療機器の製造や光通信の改善に役立つことが期待されています。[ 88 ]

航空宇宙工学やロボット工学では、最新の電気推進やイオン推進がその一例です。

教育

オシロスコープ

電気技師は通常、電気工学、電子工学、電子・コンピュータ工学、電気工学技術、[ 89 ]または電気・電子工学 [ 90 ] を専攻し学位を取得しています。[ 91 ]すべてのプログラムで同じ基本原理が教えられていますが、重点はタイトルによって異なる場合があります。 このような学位を取得するための研究期間は通常 4 年または 5 年で、取得した学位は、大学によって、電気/電子工学技術の理学士、工学士、理学士、技術士、または応用科学士と指定されます。学士号には通常、物理学、数学、コンピュータサイエンス、プロジェクト管理、および電気工学のさまざまなトピックをカバーする単位が含まれます。[ 92 ]最初は、このようなトピックが電気工学のサブ分野のすべてではないにしてもほとんどをカバーします。

回路設計やトラブルシューティングに役立つ回路図の例

多くの学校では、電子工学は電気系の学位の一部として含まれており、時には明示的に（例えば工学士（電気電子工学）のように）含まれていますが、電気工学と電子工学はどちらも十分に幅広く複雑であると考えられているため、別々の学位が提供される学校もあります。[ 93 ]

電気技術者の中には、工学修士/理学修士(MEng/MSc)、工学管理修士、工学博士(PhD)、工学博士( Eng.D.)、エンジニアの学位などの大学院の学位取得を目指す人もいます。修士号とエンジニアの学位は、研究、授業、またはその両方の組み合わせから構成されます。哲学博士号と工学博士号は、重要な研究要素で構成されており、学問の世界への入り口と見なされることがよくあります。英国やその他のヨーロッパ諸国では​​、工学修士号は、独立した大学院の学位というよりも、工学士よりも少し期間の長い学部の学位と見なされることがよくあります。[ 94 ]

専門的な実践

ニューヨーク市にあるゼネラル・エレクトリック社の4万キロワットのタービンのローターを検査するベルギーの電気技師たち

ほとんどの国では、工学の学士号は専門資格取得への第一歩であり、学位プログラム自体も専門機関によって認定されています。[ 95 ]認定された学位プログラムを修了した後、エンジニアは認定を受ける前に、実務経験要件を含むさまざまな要件を満たす必要があります。認定されると、エンジニアにはProfessional Engineer（米国、カナダ、南アフリカ）、Chartered engineerまたはIncorporated Engineer（インド、パキスタン、英国、アイルランド、ジンバブエ）、Chartered Professional Engineer（オーストラリアとニュージーランド）、またはEuropean Engineer（欧州連合の多くの国）の称号が与えられます。

IEEEの本社はニューヨーク市の3 Park Avenueの 17 階にあります。

資格取得の利点は地域によって異なります。例えば、アメリカ合衆国とカナダでは、「資格を有するエンジニアのみが、公共および民間の顧客のためにエンジニアリング業務を認定できる」とされています。[ 96 ]この要件は、ケベック州のエンジニア法など、州法および地方法によって施行されています。 [ 97 ]他の国では、そのような法律は存在しません。事実上すべての認証機関は倫理規定を定めており、会員全員が遵守しなければ除名される可能性があります。[ 98 ]このように、これらの組織は職業倫理基準の維持において重要な役割を果たしています。資格取得が業務にほとんど、あるいは全く法的影響を与えない法域であっても、エンジニアは契約法の対象となります。エンジニアの業務が不備な場合、過失による不法行為の罪に問われる可能性があり、極端な場合には刑事過失で起訴される可能性があります。エンジニアの業務は、建築基準法や環境法など、他の多くの規則や規制にも準拠する必要があります。

電気技術者にとって注目すべき専門団体には、米国電気電子技術者協会(IEEE) と米国工学技術協会(IET) がある。IEEE は、世界の電気工学文献の 30% を発行していると主張しており、世界中に 360,000 人を超える会員を擁し、年間 3,000 回を超える会議を開催している。[ 99 ] IET は 21 のジャーナルを発行し、世界中に 150,000 人を超える会員を擁し、ヨーロッパ最大の専門工学団体であると主張している。[ 100 ] [ 101 ]技術スキルの陳腐化は、電気技術者にとって深刻な懸念事項である。したがって、技術協会への会員資格と参加、その分野の定期刊行物の定期的な読解、継続的な学習の習慣が、熟練度の維持に不可欠である。MIET (英国工学技術協会会員) は、ヨーロッパでは電気およびコンピュータ (技術) 技術者として認められている。[ 102 ]

オーストラリア、カナダ、アメリカ合衆国では、電気技師は労働力の約0.25％を占めています。[ b ]

ツールと作業

電気技術者は、全地球測位システム（GPS）から発電まで、幅広い技術の発展に貢献してきました。彼らは電気システムや電子機器の設計、開発、試験、そして導入の監督を行います。例えば、電気通信システムの設計、発電所の運用、建物の照明や配線、家電製品の設計、産業機械の電気制御などに携わることがあります。 [ 106 ]

衛星通信は電気技術者が取り組む典型的な仕事です。

この分野の基礎となるのは物理学と数学です。これらの科学は、システムがどのように機能するかについて、定性的かつ定量的な記述を得るのに役立ちます。今日では、ほとんどのエンジニアリング業務でコンピュータが利用されており、電気システムの設計にはコンピュータ支援設計プログラムを使用するのが一般的です。しかしながら、アイデアをスケッチする能力は、他者と迅速にコミュニケーションをとる上で依然として非常に貴重です。

シャドウロボットハンドシステム

ほとんどの電気技術者は基本的な回路理論（つまり、回路内の抵抗器、コンデンサ、ダイオード、トランジスタ、インダクタなどの要素の相互作用）を理解していますが、技術者が使用する理論は一般的に彼らの仕事によって異なります。たとえば、量子力学と固体物理学は、 VLSI（集積回路の設計）に取り組む技術者には関連があるかもしれませんが、マクロな電気システムを扱う技術者にはほとんど関係ありません。回路理論でさえ、既製の部品を使用する通信システムを設計する人には関係ないかもしれません。おそらく、電気技術者にとって最も重要な技術的スキルは、強力な数値スキル、コンピュータリテラシー、および電気工学に関連する技術用語と概念を理解する能力を強調する大学のプログラムに反映されています。[ 107 ]

アクリル棒に反射するレーザー。マルチモード光ファイバーにおける光の全反射を示している。

電気技術者は幅広い計測機器を使用します。簡単な制御回路や警報器であれば、電圧、電流、抵抗を測定できる基本的なマルチメーターで十分でしょう。時間とともに変化する信号を調べる必要がある場合は、オシロスコープも広く使用されています。RF工学や高周波通信では、スペクトルアナライザやネットワークアナライザが使用されます。分野によっては、計測機器に関して安全性が特に懸念されることがあります。たとえば、医療用電子機器の設計者は、電極が直接体内の体液に接触する場合、通常よりもはるかに低い電圧でも危険になる可能性があることを考慮しなければなりません。[ 108 ]電力伝送工学でも、高電圧を使用するため、安全性に関する懸念が大きくあります。電圧計は原理的には低電圧の電圧計と似ていますが、安全性と校正の問題により大きく異なります。[ 109 ]電気工学の多くの分野では、その分野に固有のテストが使用されます。オーディオエレクトロニクスエンジニアは、信号発生器とメーターで構成されるオーディオテストセットを使用します。これは主にレベルを測定するために使用されますが、高調波歪みやノイズなどの他のパラメータも測定します。同様に、情報技術エンジニアにも独自のテストセットがあり、多くの場合、特定のデータ形式に特化しており、テレビ放送でも同様です。

三沢基地のレドーム三沢警備運用センター、三沢市

多くのエンジニアにとって、技術的な業務は業務全体のほんの一部に過ぎません。顧客との提案内容の議論、予算の作成、プロジェクトスケジュールの決定といった業務にも多くの時間を費やすことがあります。[ 110 ]多くの上級エンジニアは、技術者や他のエンジニアからなるチームを管理しているため、プロジェクトマネジメントスキルが重要になります。ほとんどのエンジニアリングプロジェクトには何らかの形の文書作成が含まれるため、優れた文章によるコミュニケーションスキルは非常に重要です。

エンジニアの職場は、その仕事の種類と同じくらい多様です。電気技師は、製造工場の清潔な実験室環境、海軍艦艇、コンサルティング会社のオフィス、鉱山の現場など、様々な場所で活躍します。また、科学者、電気技師、コンピュータプログラマー、その他のエンジニアなど、幅広い分野の人材を監督することもあります。[ 111 ]

電気工学は物理科学と密接な関係があります。例えば、物理学者のケルビン卿は、最初の大西洋横断電信ケーブルの設計において重要な役割を果たしました。[ 112 ]一方、技術者のオリバー・ヘヴィサイドは、電信ケーブルの伝送に関する数学的な研究で重要な成果を上げました。 [ 113 ]電気技術者は、大規模な科学プロジェクトでしばしば必要とされます。例えば、欧州原子核研究機構（CERN）のような大型粒子加速器では、電力分配、計測機器、超伝導電磁石の製造と設置など、プロジェクトの多くの側面を扱う電気技術者が必要です。[ 114 ] [ 115 ]

参照

注記

  1. ^詳細については、電気電子工学の用語集を参照してください。
  2. ^ 2014年5月時点で、米国では約17万5000人が電気技師として働いていました。 [ 103 ] 2012年にはオーストラリアで約1万9000人[ 104 ]、カナダでは約3万7000人（2007年時点）で、3か国の労働力の約0.2%を占めていました。オーストラリアとカナダでは、それぞれ電気技師の96%と88%が男性であると報告されています。 [ 105 ]

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参考文献

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電気工学に関する図書館資料
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