Engenharia elétrica
Engenharia elétrica é uma disciplina de engenharia preocupada com o estudo, projeto e aplicação de equipamentos, dispositivos e sistemas que usam eletricidade, eletrônica e eletromagnetismo. Surgiu como uma ocupação identificável na segunda metade do século XIX, após a comercialização do telégrafo elétrico, do telefone e da geração, distribuição e uso de energia elétrica.
A engenharia elétrica está agora dividida em uma ampla gama de campos diferentes, incluindo engenharia da computação, engenharia de sistemas, engenharia de energia, telecomunicações, engenharia de radiofrequência, processamento de sinal, instrumentação, células fotovoltaicas, eletrônica e ótica e fotônica. Muitas dessas disciplinas se sobrepõem a outros ramos da engenharia, abrangendo um grande número de especializações, incluindo engenharia de hardware, eletrônica de potência, eletromagnetismo e ondas, engenharia de micro-ondas, nanotecnologia, eletroquímica, energias renováveis, mecatrônica/controle e ciência de materiais elétricos.
Os engenheiros elétricos normalmente são formados em engenharia elétrica ou engenharia eletrônica. Os engenheiros praticantes podem ter certificação profissional e ser membros de um corpo profissional ou de uma organização internacional de padrões. Isso inclui a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) e a Instituição de Engenharia e Tecnologia (IET) (anteriormente IEE).
Os engenheiros elétricos trabalham em uma ampla gama de indústrias e as habilidades necessárias também variam. Estes vão desde a teoria do circuito até as habilidades de gerenciamento de um gerente de projeto. As ferramentas e equipamentos que um engenheiro individual pode precisar são igualmente variáveis, variando de um simples voltímetro a um sofisticado software de projeto e fabricação.
História
A eletricidade tem sido um assunto de interesse científico desde pelo menos o início do século XVII. William Gilbert foi um proeminente cientista elétrico e foi o primeiro a traçar uma clara distinção entre magnetismo e eletricidade estática. Ele é creditado com o estabelecimento do termo "eletricidade". Ele também projetou o versório: um dispositivo que detecta a presença de objetos com carga estática. Em 1762, o professor sueco Johan Wilcke inventou um dispositivo mais tarde denominado eletróforo que produzia uma carga elétrica estática. Em 1800, Alessandro Volta havia desenvolvido a pilha voltaica, uma precursora da bateria elétrica.
Século XIX
No século XIX, as pesquisas sobre o assunto começaram a se intensificar. Desenvolvimentos notáveis neste século incluem o trabalho de Hans Christian Ørsted que descobriu em 1820 que uma corrente elétrica produz um campo magnético que irá desviar a agulha de uma bússola, de William Sturgeon que, em 1825 inventou o eletroímã, de Joseph Henry e Edward Davy que inventaram o relé elétrico em 1835, de Georg Ohm, que em 1827 quantificou a relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial em um condutor, de Michael Faraday (o descobridor da indução eletromagnética em 1831) e de James Clerk Maxwell, que em 1873 publicou uma teoria unificada de eletricidade e magnetismo em seu tratado Eletricidade e Magnetismo.
Em 1782, Georges-Louis Le Sage desenvolveu e apresentou em Berlim provavelmente a primeira forma de telegrafia elétrica do mundo, usando 24 fios diferentes, um para cada letra do alfabeto. Este telégrafo conectava duas salas. Era um telégrafo eletrostático que movia folhas de ouro por condução elétrica.
Em 1795, Francisco Salva Campillo propôs um sistema de telégrafo eletrostático. Entre 1803 e 1804, trabalhou em telegrafia elétrica e em 1804 apresentou seu relatório na Real Academia de Ciências Naturais e Artes de Barcelona. O sistema de telégrafo eletrolítico de Salva foi muito inovador, embora tenha sido muito influenciado e baseado em duas novas descobertas feitas na Europa em 1800 - a bateria elétrica de Alessandro Volta para gerar corrente elétrica e a de William Nicholson e Anthony Carlyle.;s eletrólise da água. A telegrafia elétrica pode ser considerada o primeiro exemplo de engenharia elétrica. A engenharia elétrica tornou-se uma profissão no final do século XIX. Os praticantes criaram uma rede global de telégrafo elétrico e as primeiras instituições profissionais de engenharia elétrica foram fundadas no Reino Unido e nos EUA para apoiar a nova disciplina. Francis Ronalds criou um sistema de telégrafo elétrico em 1816 e documentou sua visão de como o mundo poderia ser transformado pela eletricidade. Mais de 50 anos depois, ele ingressou na nova Society of Telegraph Engineers (que logo seria renomeada como Institution of Electrical Engineers), onde foi considerado por outros membros como o primeiro de sua coorte. No final do século XIX, o mundo havia mudado para sempre pela rápida comunicação possibilitada pelo desenvolvimento da engenharia de linhas terrestres, cabos submarinos e, por volta de 1890, telegrafia sem fio.
Aplicações práticas e avanços nesses campos criaram uma necessidade crescente de unidades de medida padronizadas. Eles levaram à padronização internacional das unidades volt, ampère, coulomb, ohm, farad e henry. Isso foi alcançado em uma conferência internacional em Chicago em 1893. A publicação desses padrões formou a base de futuros avanços na padronização em vários setores e, em muitos países, as definições foram imediatamente reconhecidas na legislação relevante.
Durante esses anos, o estudo da eletricidade foi amplamente considerado um subcampo da física, uma vez que a tecnologia elétrica inicial era considerada de natureza eletromecânica. A Technische Universität Darmstadt fundou o primeiro departamento de engenharia elétrica do mundo em 1882 e introduziu o primeiro curso de graduação em engenharia elétrica em 1883. O primeiro programa de graduação em engenharia elétrica nos Estados Unidos foi iniciado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). no departamento de física sob o professor Charles Cross, embora tenha sido a Cornell University a produzir os primeiros graduados em engenharia elétrica do mundo em 1885. O primeiro curso de engenharia elétrica foi ministrado em 1883 no Sibley College of Mechanical Engineering de Cornell e Artes Mecânicas.
Por volta de 1885, o presidente da Cornell, Andrew Dickson White, estabeleceu o primeiro Departamento de Engenharia Elétrica nos Estados Unidos. No mesmo ano, a University College London fundou a primeira cadeira de engenharia elétrica na Grã-Bretanha. O professor Mendell P. Weinbach da University of Missouri estabeleceu o departamento de engenharia elétrica em 1886. Posteriormente, as universidades e institutos de tecnologia gradualmente começaram a oferecer programas de engenharia elétrica para seus alunos em todo o mundo.
Durante essas décadas, o uso da engenharia elétrica aumentou dramaticamente. Em 1882, Thomas Edison ligou a primeira rede de energia elétrica em larga escala do mundo que forneceu 110 volts - corrente contínua (CC) - para 59 clientes na Ilha de Manhattan, na cidade de Nova York. Em 1884, Sir Charles Parsons inventou a turbina a vapor, permitindo uma geração de energia elétrica mais eficiente. A corrente alternada, com sua capacidade de transmitir energia de forma mais eficiente por longas distâncias por meio do uso de transformadores, desenvolveu-se rapidamente nas décadas de 1880 e 1890 com projetos de transformadores de Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy e Miksa Déri (mais tarde chamados de transformadores ZBD), Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs e William Stanley, Jr. Projetos práticos de motores CA, incluindo motores de indução, foram inventados independentemente por Galileo Ferraris e Nikola Tesla e posteriormente desenvolvidos em uma forma trifásica prática por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky e Charles Eugene Lancelot Brown. Charles Steinmetz e Oliver Heaviside contribuíram para a base teórica da engenharia de corrente alternada. A disseminação do uso de AC desencadeou nos Estados Unidos o que tem sido chamado de guerra das correntes entre um sistema AC apoiado por George Westinghouse e um sistema de energia DC apoiado por Thomas Edison, com AC sendo adotado como o padrão geral.
Início do século 20
Durante o desenvolvimento do rádio, muitos cientistas e inventores contribuíram para a tecnologia de rádio e eletrônica. O trabalho matemático de James Clerk Maxwell durante a década de 1850 mostrou a relação de diferentes formas de radiação eletromagnética, incluindo a possibilidade de ondas aéreas invisíveis (mais tarde chamadas de "ondas de rádio"). Em seus experimentos físicos clássicos de 1888, Heinrich Hertz provou a teoria de Maxwell transmitindo ondas de rádio com um transmissor de faísca e detectou-as usando dispositivos elétricos simples. Outros físicos experimentaram essas novas ondas e, no processo, desenvolveram dispositivos para transmiti-las e detectá-las. Em 1895, Guglielmo Marconi começou a trabalhar em uma maneira de adaptar os métodos conhecidos de transmissão e detecção dessas "ondas hertzianas" em um sistema telegráfico sem fio comercial construído especificamente. No início, ele enviou sinais sem fio a uma distância de um quilômetro e meio. Em dezembro de 1901, ele enviou ondas sem fio que não foram afetadas pela curvatura da Terra. Marconi posteriormente transmitiu os sinais sem fio através do Atlântico entre Poldhu, Cornwall e St. John's, Newfoundland, uma distância de 2.100 milhas (3.400 km).
A comunicação por ondas milimétricas foi investigada pela primeira vez por Jagadish Chandra Bose durante 1894–1896, quando ele atingiu uma frequência extremamente alta de até 60 GHz em seus experimentos. Ele também introduziu o uso de junções de semicondutores para detectar ondas de rádio, quando patenteou o detector de cristal de rádio em 1901.
Em 1897, Karl Ferdinand Braun introduziu o tubo de raios catódicos como parte de um osciloscópio, uma tecnologia crucial para a televisão eletrônica. John Fleming inventou o primeiro tubo de rádio, o diodo, em 1904. Dois anos depois, Robert von Lieben e Lee De Forest desenvolveram independentemente o tubo amplificador, chamado triodo.
Em 1920, Albert Hull desenvolveu o magnetron que eventualmente levaria ao desenvolvimento do forno de microondas em 1946 por Percy Spencer. Em 1934, os militares britânicos começaram a avançar em direção ao radar (que também usa o magnetron) sob a direção do Dr. Wimperis, culminando na operação da primeira estação de radar em Bawdsey em agosto de 1936.
Em 1941, Konrad Zuse apresentou o Z3, o primeiro computador totalmente funcional e programável do mundo usando peças eletromecânicas. Em 1943, Tommy Flowers projetou e construiu o Colossus, o primeiro computador totalmente funcional, eletrônico, digital e programável do mundo. Em 1946, o ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de John Presper Eckert e John Mauchly o seguiu, iniciando a era da computação. O desempenho aritmético dessas máquinas permitiu que os engenheiros desenvolvessem tecnologias completamente novas e alcançassem novos objetivos.
Em 1948, Claude Shannon publica "A Mathematical Theory of Communication" que descreve matematicamente a passagem da informação com incerteza (ruído elétrico).
Eletrônicos de estado sólido
O primeiro transistor funcional foi um transistor de ponto de contato inventado por John Bardeen e Walter Houser Brattain enquanto trabalhavam com William Shockley no Bell Telephone Laboratories (BTL) em 1947. Eles então inventaram o transistor de junção bipolar em 1948. Como os transistores eram dispositivos relativamente volumosos e difíceis de fabricar em produção em massa, eles abriram as portas para dispositivos mais compactos.
Os primeiros circuitos integrados foram o circuito integrado híbrido inventado por Jack Kilby na Texas Instruments em 1958 e o chip de circuito integrado monolítico inventado por Robert Noyce na Fairchild Semiconductor em 1959.
O MOSFET (transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor, ou transistor MOS) foi inventado por Mohamed Atalla e Dawon Kahng na BTL em 1959. Foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que poderia ser miniaturizado e produzido em massa para um ampla gama de usos. Ele revolucionou a indústria eletrônica, tornando-se o dispositivo eletrônico mais utilizado no mundo.
O MOSFET tornou possível construir chips de circuito integrado de alta densidade. O primeiro chip MOS IC experimental a ser fabricado foi construído por Fred Heiman e Steven Hofstein nos Laboratórios RCA em 1962. A tecnologia MOS permitiu a lei de Moore, a duplicação de transistores em um chip IC a cada dois anos, prevista por Gordon Moore em 1965. A tecnologia Silicon-gate MOS foi desenvolvida por Federico Faggin na Fairchild em 1968. Desde então, o MOSFET tem sido o bloco de construção básico da eletrônica moderna. A produção em massa de MOSFETs de silício e chips de circuito integrado MOS, juntamente com a miniaturização contínua de MOSFET em um ritmo exponencial (conforme previsto pela lei de Moore), desde então levou a mudanças revolucionárias na tecnologia, economia, cultura e pensamento.
O programa Apollo, que culminou no pouso de astronautas na Lua com a Apollo 11 em 1969, foi possibilitado pela adoção pela NASA de avanços em tecnologia eletrônica de semicondutores, incluindo MOSFETs na Plataforma de Monitoramento Interplanetário (IMP) e chips de circuito integrado de silício no Apollo Guidance Computer (AGC).
O desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados MOS na década de 1960 levou à invenção do microprocessador no início da década de 1970. O primeiro microprocessador de chip único foi o Intel 4004, lançado em 1971. O Intel 4004 foi projetado e realizado por Federico Faggin na Intel com sua tecnologia MOS de porta de silício, junto com Marcian Hoff e Stanley Mazor da Intel e Busicom. 39;s Masatoshi Shima. O microprocessador levou ao desenvolvimento de microcomputadores e computadores pessoais e à revolução do microcomputador.
Subcampos
Uma das propriedades da eletricidade é que ela é muito útil para a transmissão de energia, bem como para a transmissão de informações. Estas foram também as primeiras áreas em que a engenharia elétrica foi desenvolvida. Hoje, a engenharia elétrica tem muitas subdisciplinas, sendo as mais comuns listadas abaixo. Embora existam engenheiros eletricistas que se concentram exclusivamente em uma dessas subdisciplinas, muitos lidam com uma combinação delas. Às vezes, certos campos, como engenharia eletrônica e engenharia da computação, são considerados disciplinas por si só.
Potência e energia
Potência e potência; A engenharia de energia lida com a geração, transmissão e distribuição de eletricidade, bem como o projeto de uma variedade de dispositivos relacionados. Isso inclui transformadores, geradores elétricos, motores elétricos, engenharia de alta tensão e eletrônica de potência. Em muitas regiões do mundo, os governos mantêm uma rede elétrica chamada rede elétrica que conecta uma variedade de geradores aos usuários de sua energia. Os usuários compram energia elétrica da rede, evitando o dispendioso exercício de gerar sua própria. Os engenheiros de energia podem trabalhar no projeto e na manutenção da rede elétrica, bem como nos sistemas de energia que se conectam a ela. Esses sistemas são chamados de sistemas de energia on-grid e podem fornecer energia adicional à rede, extrair energia da rede ou ambos. Os engenheiros de energia também podem trabalhar em sistemas que não se conectam à rede, chamados de sistemas de energia off-grid, que em alguns casos são preferíveis aos sistemas on-grid. O futuro inclui sistemas de energia controlados por satélite, com feedback em tempo real para evitar picos de energia e evitar apagões.
Telecomunicações
A engenharia de telecomunicações se concentra na transmissão de informações através de um canal de comunicação, como cabo coaxial, fibra ótica ou espaço livre. As transmissões através do espaço livre requerem que a informação seja codificada em um sinal de portadora para deslocar a informação para uma frequência de portadora adequada para transmissão; isso é conhecido como modulação. Técnicas populares de modulação analógica incluem modulação de amplitude e modulação de frequência. A escolha da modulação afeta o custo e o desempenho de um sistema e esses dois fatores devem ser cuidadosamente balanceados pelo engenheiro.
Depois que as características de transmissão de um sistema são determinadas, os engenheiros de telecomunicações projetam os transmissores e receptores necessários para tais sistemas. Às vezes, esses dois são combinados para formar um dispositivo de comunicação bidirecional conhecido como transceptor. Uma consideração importante no projeto de transmissores é o consumo de energia, pois está intimamente relacionado à intensidade do sinal. Normalmente, se a potência do sinal transmitido for insuficiente quando o sinal chegar à(s) antena(s) do receptor, as informações contidas no sinal serão corrompidas por ruído, especificamente estático.
Engenharia de controle
A engenharia de controle se concentra na modelagem de uma gama diversificada de sistemas dinâmicos e no projeto de controladores que farão com que esses sistemas se comportem da maneira desejada. Para implementar tais controladores, os engenheiros de controle eletrônico podem usar circuitos eletrônicos, processadores de sinais digitais, microcontroladores e controladores lógicos programáveis (PLCs). A engenharia de controle tem uma ampla gama de aplicações, desde os sistemas de voo e propulsão de aviões comerciais até o controle de cruzeiro presente em muitos automóveis modernos. Também desempenha um papel importante na automação industrial.
Os engenheiros de controle costumam usar feedback ao projetar sistemas de controle. Por exemplo, em um automóvel com controle de cruzeiro, a velocidade do veículo é continuamente monitorada e realimentada para o sistema que ajusta a potência do motor de acordo. Onde há feedback regular, a teoria de controle pode ser usada para determinar como o sistema responde a tal feedback.
Os engenheiros de controle também trabalham em robótica para projetar sistemas autônomos usando algoritmos de controle que interpretam feedback sensorial para controlar atuadores que movem robôs, como veículos autônomos, drones autônomos e outros usados em diversos setores.
Eletrônicos
A engenharia eletrônica envolve o projeto e o teste de circuitos eletrônicos que usam as propriedades de componentes como resistores, capacitores, indutores, diodos e transistores para obter uma funcionalidade específica. O circuito sintonizado, que permite ao usuário de um rádio filtrar todas menos uma estação, é apenas um exemplo de tal circuito. Outro exemplo para pesquisar é um condicionador de sinal pneumático.
Antes da Segunda Guerra Mundial, o assunto era comumente conhecido como engenharia de rádio e basicamente era restrito a aspectos de comunicações e radar, rádio comercial e televisão primitiva. Mais tarde, nos anos do pós-guerra, quando os dispositivos de consumo começaram a ser desenvolvidos, o campo cresceu para incluir televisão moderna, sistemas de áudio, computadores e microprocessadores. Em meados da década de 1950, o termo engenharia de rádio gradualmente deu lugar ao nome engenharia eletrônica.
Antes da invenção do circuito integrado em 1959, os circuitos eletrônicos eram construídos a partir de componentes discretos que podiam ser manipulados por humanos. Esses circuitos discretos consumiam muito espaço e energia e eram limitados em velocidade, embora ainda sejam comuns em algumas aplicações. Por outro lado, os circuitos integrados agrupavam um grande número – muitas vezes milhões – de minúsculos componentes elétricos, principalmente transistores, em um pequeno chip do tamanho de uma moeda. Isso permitiu os poderosos computadores e outros dispositivos eletrônicos que vemos hoje.
Microeletrônica e nanoeletrônica
A engenharia microeletrônica lida com o projeto e a microfabricação de componentes de circuitos eletrônicos muito pequenos para uso em um circuito integrado ou, às vezes, para uso próprio como um componente eletrônico geral. Os componentes microeletrônicos mais comuns são os transistores semicondutores, embora todos os principais componentes eletrônicos (resistores, capacitores, etc.) possam ser criados em nível microscópico.
A nanoeletrônica é a escala adicional de dispositivos para níveis nanométricos. Os dispositivos modernos já estão no regime nanométrico, com processamento abaixo de 100 nm sendo padrão desde cerca de 2002.
Componentes microeletrônicos são criados pela fabricação química de wafers de semicondutores como silício (em frequências mais altas, semicondutores compostos como arsenieto de gálio e fosfeto de índio) para obter o transporte desejado de carga eletrônica e controle de corrente. O campo da microeletrônica envolve uma quantidade significativa de química e ciência dos materiais e exige que o engenheiro eletrônico que trabalha no campo tenha um conhecimento prático muito bom dos efeitos da mecânica quântica.
Processamento de sinal
O processamento de sinal lida com a análise e manipulação de sinais. Os sinais podem ser analógicos, caso em que o sinal varia continuamente de acordo com a informação, ou digitais, caso em que o sinal varia de acordo com uma série de valores discretos que representam a informação. Para sinais analógicos, o processamento de sinal pode envolver a amplificação e filtragem de sinais de áudio para equipamentos de áudio ou a modulação e demodulação de sinais para telecomunicações. Para sinais digitais, o processamento de sinal pode envolver a compressão, detecção de erros e correção de erros de sinais amostrados digitalmente.
O Processamento de Sinal é uma área intensiva e muito orientada matematicamente que forma o núcleo do processamento de sinal digital e está se expandindo rapidamente com novas aplicações em todos os campos da engenharia elétrica, como comunicações, controle, radar, engenharia de áudio, engenharia de transmissão, eletrônica de potência, e engenharia biomédica como muitos sistemas analógicos já existentes são substituídos por suas contrapartes digitais. O processamento de sinais analógicos ainda é importante no projeto de muitos sistemas de controle.
Os ICs do processador DSP são encontrados em muitos tipos de dispositivos eletrônicos modernos, como aparelhos de televisão digital, rádios, equipamentos de áudio Hi-Fi, telefones celulares, reprodutores multimídia, filmadoras e câmeras digitais, sistemas de controle de automóveis, fones de ouvido com cancelamento de ruído, analisadores de espectro, sistemas de orientação de mísseis, sistemas de radar e sistemas de telemática. Em tais produtos, o DSP pode ser responsável pela redução de ruído, reconhecimento ou síntese de fala, codificação ou decodificação de mídia digital, transmissão ou recebimento de dados sem fio, triangulação de posições usando GPS e outros tipos de processamento de imagem, processamento de vídeo, processamento de áudio e processamento de fala.
Instrumentação
A engenharia de instrumentação lida com o projeto de dispositivos para medir grandezas físicas, como pressão, vazão e temperatura. O projeto de tais instrumentos requer uma boa compreensão da física que muitas vezes se estende além da teoria eletromagnética. Por exemplo, os instrumentos de voo medem variáveis como velocidade do vento e altitude para permitir que os pilotos controlem a aeronave analiticamente. Da mesma forma, os termopares usam o efeito Peltier-Seebeck para medir a diferença de temperatura entre dois pontos.
Muitas vezes, a instrumentação não é usada sozinha, mas sim como sensores de sistemas elétricos maiores. Por exemplo, um termopar pode ser usado para ajudar a garantir que a temperatura de um forno permaneça constante. Por esta razão, a engenharia de instrumentação é muitas vezes vista como a contraparte do controle.
Computadores
A engenharia da computação lida com o projeto de computadores e sistemas de computador. Isso pode envolver o projeto de um novo hardware. Os engenheiros de computação também podem trabalhar no software de um sistema. No entanto, o projeto de sistemas de software complexos geralmente é do domínio da engenharia de software, que geralmente é considerada uma disciplina separada. Computadores de mesa representam uma pequena fração dos dispositivos em que um engenheiro de computação pode trabalhar, já que arquiteturas semelhantes a computadores agora são encontradas em uma variedade de dispositivos incorporados, incluindo consoles de videogame e DVD players. Os engenheiros de computação estão envolvidos em muitos aspectos de hardware e software da computação. Os robôs são uma das aplicações da engenharia da computação.
Fotônica e óptica
A fotônica e a óptica lidam com a geração, transmissão, amplificação, modulação, detecção e análise da radiação eletromagnética. A aplicação da óptica lida com o design de instrumentos ópticos, como lentes, microscópios, telescópios e outros equipamentos que usam as propriedades da radiação eletromagnética. Outras aplicações proeminentes da óptica incluem sensores eletro-ópticos e sistemas de medição, lasers, sistemas de comunicação de fibra óptica e sistemas de disco óptico (por exemplo, CD e DVD). A fotônica baseia-se fortemente na tecnologia óptica, complementada com desenvolvimentos modernos, como optoeletrônica (principalmente envolvendo semicondutores), sistemas de laser, amplificadores ópticos e novos materiais (por exemplo, metamateriais).
Disciplinas relacionadas
Mecatrônica é uma disciplina de engenharia que lida com a convergência de sistemas elétricos e mecânicos. Esses sistemas combinados são conhecidos como sistemas eletromecânicos e têm ampla adoção. Os exemplos incluem sistemas automatizados de fabricação, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado e vários subsistemas de aeronaves e automóveis. Projeto de sistemas eletrônicos é o assunto dentro da engenharia elétrica que lida com as questões de projeto multidisciplinar de sistemas elétricos e mecânicos complexos.
O termo mecatrônica é normalmente usado para se referir a sistemas macroscópicos, mas os futuristas previram o surgimento de dispositivos eletromecânicos muito pequenos. Esses pequenos dispositivos, conhecidos como sistemas microeletromecânicos (MEMS), já são usados em automóveis para informar aos airbags quando abrir, em projetores digitais para criar imagens mais nítidas e em impressoras a jato de tinta para criar bocais para impressão de alta definição. No futuro, espera-se que os dispositivos ajudem a construir minúsculos dispositivos médicos implantáveis e melhorem a comunicação óptica.
Na engenharia aeroespacial e robótica, um exemplo é a mais recente propulsão elétrica e propulsão iônica.
Educação
Os engenheiros elétricos geralmente possuem um diploma acadêmico com especialização em engenharia elétrica, engenharia eletrônica, tecnologia de engenharia elétrica ou engenharia elétrica e eletrônica. Os mesmos princípios fundamentais são ensinados em todos os programas, embora a ênfase possa variar de acordo com o título. A duração do estudo para tal grau é geralmente de quatro ou cinco anos e o grau concluído pode ser designado como Bacharel em Tecnologia de Engenharia Elétrica/Eletrônica, Bacharel em Engenharia, Bacharel em Ciências, Bacharel em Tecnologia ou Bacharel em Ciências Aplicadas., dependendo da universidade. O diploma de bacharel geralmente inclui unidades que abrangem física, matemática, ciência da computação, gerenciamento de projetos e uma variedade de tópicos em engenharia elétrica. Inicialmente, tais tópicos abrangem a maioria, se não todas, as subdisciplinas da engenharia elétrica. Em algumas escolas, os alunos podem optar por enfatizar uma ou mais subdisciplinas no final de seus cursos de estudo.
Em muitas escolas, a engenharia eletrônica é incluída como parte de um prêmio elétrico, às vezes explicitamente, como um Bacharel em Engenharia (Elétrica e Eletrônica), mas em outras, as engenharias elétrica e eletrônica são consideradas suficientemente amplas e complexas que graus separados são oferecidos.
Alguns engenheiros eletricistas optam por fazer uma pós-graduação, como um Mestrado em Engenharia/Mestrado em Ciências (MEng/MSc), um Mestrado em Gerenciamento de Engenharia, um Doutorado em Filosofia (PhD) em Engenharia, um Doutorado em Engenharia (Eng..D.), ou um diploma de Engenheiro. Os graus de mestre e engenheiro podem consistir em pesquisa, cursos ou uma mistura dos dois. Os graus de Doutor em Filosofia e Doutorado em Engenharia consistem em um componente significativo de pesquisa e são frequentemente vistos como o ponto de entrada para a academia. No Reino Unido e em alguns outros países europeus, o Mestrado em Engenharia é frequentemente considerado um curso de graduação de duração ligeiramente mais longa do que o Bacharelado em Engenharia, em vez de uma pós-graduação independente.
Prática profissional
Na maioria dos países, um diploma de bacharel em engenharia representa o primeiro passo para a certificação profissional e o próprio programa de graduação é certificado por um órgão profissional. Depois de concluir um programa de graduação certificado, o engenheiro deve satisfazer uma série de requisitos (incluindo requisitos de experiência de trabalho) antes de ser certificado. Uma vez certificado, o engenheiro recebe o título de Professional Engineer (nos Estados Unidos, Canadá e África do Sul), Chartered Engineer ou Incorporated Engineer (na Índia, Paquistão, Reino Unido, Irlanda e Zimbábue), Chartered Professional Engineer (na Austrália e Nova Zelândia) ou Engenheiro Europeu (em grande parte da União Europeia).
As vantagens do licenciamento variam dependendo da localização. Por exemplo, nos Estados Unidos e no Canadá "somente um engenheiro licenciado pode selar trabalhos de engenharia para clientes públicos e privados". Este requisito é aplicado pela legislação estadual e provincial, como a Lei dos Engenheiros de Quebec. Em outros países, essa legislação não existe. Praticamente todos os órgãos de certificação mantêm um código de ética que esperam que todos os membros cumpram ou correm o risco de expulsão. Dessa forma, essas organizações desempenham um papel importante na manutenção dos padrões éticos da profissão. Mesmo em jurisdições onde a certificação tem pouca ou nenhuma influência legal no trabalho, os engenheiros estão sujeitos à lei contratual. Nos casos em que o trabalho de um engenheiro falha, ele ou ela pode estar sujeito ao delito de negligência e, em casos extremos, à acusação de negligência criminal. O trabalho de um engenheiro também deve cumprir várias outras regras e regulamentos, como códigos de construção e legislação pertinente à lei ambiental.
Entidades profissionais importantes para engenheiros elétricos incluem o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) e o Instituto de Engenharia e Tecnologia (IET). O IEEE afirma produzir 30% da literatura mundial em engenharia elétrica, tem mais de 360.000 membros em todo o mundo e realiza mais de 3.000 conferências anualmente. A IET publica 21 periódicos, tem mais de 150.000 membros em todo o mundo e afirma ser a maior sociedade profissional de engenharia da Europa. A obsolescência das habilidades técnicas é uma preocupação séria para os engenheiros elétricos. Afiliação e participação em sociedades técnicas, revisões regulares de periódicos no campo e um hábito de aprendizado contínuo são, portanto, essenciais para manter a proficiência. Um MIET (membro da Instituição de Engenharia e Tecnologia) é reconhecido na Europa como engenheiro elétrico e de computação (tecnologia).
Na Austrália, Canadá e Estados Unidos, os engenheiros elétricos representam cerca de 0,25% da força de trabalho.
Ferramentas e trabalho
Desde o Sistema de Posicionamento Global até a geração de energia elétrica, os engenheiros eletricistas contribuíram para o desenvolvimento de uma ampla gama de tecnologias. Eles projetam, desenvolvem, testam e supervisionam a implantação de sistemas elétricos e dispositivos eletrônicos. Por exemplo, eles podem trabalhar no projeto de sistemas de telecomunicações, na operação de usinas elétricas, na iluminação e fiação de edifícios, no projeto de eletrodomésticos ou no controle elétrico de máquinas industriais.
Fundamentais para a disciplina são as ciências da física e da matemática, pois ajudam a obter uma descrição qualitativa e quantitativa de como esses sistemas funcionarão. Hoje, a maior parte do trabalho de engenharia envolve o uso de computadores e é comum usar programas de projeto auxiliados por computador ao projetar sistemas elétricos. No entanto, a capacidade de esboçar ideias ainda é inestimável para se comunicar rapidamente com outras pessoas.
Embora a maioria dos engenheiros elétricos entenda a teoria básica do circuito (ou seja, as interações de elementos como resistores, capacitores, diodos, transistores e indutores em um circuito), as teorias empregadas pelos engenheiros geralmente dependem do trabalho que realizam. Por exemplo, a mecânica quântica e a física do estado sólido podem ser relevantes para um engenheiro que trabalha com VLSI (o projeto de circuitos integrados), mas são irrelevantes para engenheiros que trabalham com sistemas elétricos macroscópicos. Mesmo a teoria do circuito pode não ser relevante para uma pessoa que projeta sistemas de telecomunicações que usam componentes de prateleira. Talvez as habilidades técnicas mais importantes para os engenheiros elétricos sejam refletidas nos programas universitários, que enfatizam fortes habilidades numéricas, conhecimento de informática e a capacidade de entender a linguagem técnica e os conceitos relacionados à engenharia elétrica.
Uma ampla gama de instrumentação é usada por engenheiros elétricos. Para circuitos de controle e alarmes simples, um multímetro básico de medição de tensão, corrente e resistência pode ser suficiente. Onde sinais variáveis no tempo precisam ser estudados, o osciloscópio também é um instrumento onipresente. Na engenharia de RF e telecomunicações de alta frequência, analisadores de espectro e analisadores de rede são usados. Em algumas disciplinas, a segurança pode ser uma preocupação particular com a instrumentação. Por exemplo, os projetistas de eletrônicos médicos devem levar em consideração que tensões muito mais baixas do que o normal podem ser perigosas quando os eletrodos estão em contato direto com os fluidos internos do corpo. A engenharia de transmissão de energia também tem grandes preocupações de segurança devido às altas tensões utilizadas; embora os voltímetros possam, em princípio, ser semelhantes aos seus equivalentes de baixa tensão, questões de segurança e calibração os tornam muito diferentes. Muitas disciplinas da engenharia elétrica utilizam testes específicos para sua disciplina. Os engenheiros de eletrônica de áudio usam conjuntos de teste de áudio que consistem em um gerador de sinal e um medidor, principalmente para medir o nível, mas também outros parâmetros, como distorção harmônica e ruído. Da mesma forma, a tecnologia da informação tem seus próprios conjuntos de teste, muitas vezes específicos para um determinado formato de dados, e o mesmo vale para a transmissão de televisão.
Para muitos engenheiros, o trabalho técnico representa apenas uma fração do trabalho que realizam. Muito tempo também pode ser gasto em tarefas como discutir propostas com clientes, preparar orçamentos e determinar cronogramas de projetos. Muitos engenheiros seniores gerenciam uma equipe de técnicos ou outros engenheiros e, por esse motivo, as habilidades de gerenciamento de projetos são importantes. A maioria dos projetos de engenharia envolve alguma forma de documentação e fortes habilidades de comunicação escrita são, portanto, muito importantes.
Os locais de trabalho dos engenheiros são tão variados quanto os tipos de trabalho que realizam. Os engenheiros elétricos podem ser encontrados no ambiente de laboratório intocado de uma fábrica, a bordo de um navio da Marinha, nos escritórios de uma empresa de consultoria ou no local de uma mina. Durante sua vida profissional, os engenheiros elétricos podem supervisionar uma ampla gama de indivíduos, incluindo cientistas, eletricistas, programadores de computador e outros engenheiros.
A engenharia elétrica tem uma relação íntima com as ciências físicas. Por exemplo, o físico Lord Kelvin desempenhou um papel importante na engenharia do primeiro cabo telegráfico transatlântico. Por outro lado, o engenheiro Oliver Heaviside produziu um importante trabalho sobre a matemática da transmissão em cabos telegráficos. Os engenheiros elétricos são frequentemente necessários em grandes projetos científicos. Por exemplo, grandes aceleradores de partículas como o CERN precisam de engenheiros elétricos para lidar com muitos aspectos do projeto, incluindo a distribuição de energia, a instrumentação e a fabricação e instalação dos eletroímãs supercondutores.
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