В тази публикация в блога ще разгледаме как електротехниката – сливането на електричеството и информационните технологии – трансформира съвременното общество и как се прилага в различни области.
Какво мислите, че изучава „Катедрата по електротехника“? Обикновено, когато хората чуят думата „електричество“, те първо се сещат за статично електричество, нещо, което може да почувствате в студен, сух зимен ден. Те също така се сещат за енергията, която захранва осветлението, позволявайки на хората да бъдат активни в светли пространства в тъмни нощи, или за електричеството, използвано за захранване на домакински уреди, което улеснява живота. Току-що споменатите примери уместно описват електричеството, основна стока на съвременното общество, с която се сблъскваме често около нас. Хората обаче често се затрудняват да разберат какво се случва, когато електричеството и инженерството се съчетаят.
Преди много време се е наричала „Катедра по електротехника“, но наскоро е променена на „Катедра по електротехника и информационно инженерство“. Защо се променя името? Каква е връзката между електричеството и информацията? Въпреки че вероятно е имало множество причини за промяната на името, бих искал да обясня какъв вид изследвания се провеждат в Катедрата по електротехника, като използвам причината, която смятам за най-значима.
В електротехниката „електричеството“ може да се раздели най-общо на електричество като енергия и електричество като сигнал. Аз съм особено заинтересован от областта, занимаваща се с електричество като сигнал, и тази технология е напреднала значително, до степен, в която оказва голямо влияние върху други индустрии. Тя дори намира приложение в самата област на електрическата енергия. За да обясним първо полето на електрическата енергия, е по-лесно да разберем енергията като източник на енергия, който движи обекти.
Като енергия, електричеството се произвежда в електроцентрали, предава се в цялата страна и се използва за работа на различни устройства. Следователно, специалистите по електрическа енергия изследват как ефективно да генерират електричество, как да съхраняват този енергиен източник в батерии и как да сведат до минимум загубите и да предават електричество рентабилно.
В сравнение с други енергийни източници, като например топлинната енергия, електрическата енергия е силно организирана. Това позволява пренос на дълги разстояния с минимални загуби и я прави подходяща за преобразуване в други форми на енергия. Тъй като електрическата енергия е толкова подходяща за справяне с огромните количества енергия, които човечеството използва, животът без електричество в съвременното общество е немислим. Всичко това се дължи на приноса на енергийните инженери.
Сега, нека обясним електричеството като сигнал. Електричеството като сигнал е по-обхватна концепция от електричеството като мощност. Първо, като се има предвид определението за сигнал, в електротехниката сигналът може да се определи като физическа величина, която предава информация. По-конкретно, сред различните физични величини като температура, скорост, звук и налягане, той се отнася до напрежение, което предава информация. Съществува областта на обработката на сигнали, която ефективно приема сигнали и ги обработва във форма, която можем да разберем, и областта на комуникациите, която се занимава с устройства като радиостанции или телефони, които изпращат и приемат тези сигнали. Това е, съвсем буквално, дисциплината, която се занимава със самите сигнали.
За да използваме тези технологии лесно по всяко време и навсякъде, се нуждаем от по-сложни техники. Съществува областта на схемотехниката, която създава схеми за усилване и съхраняване на сигнали, изпратени на далечни разстояния чрез комуникация и по този начин намалени по сила. Съществува и областта на полупроводниците, която произвежда полупроводниковите устройства, съставляващи тези схеми. Освен това, съществува областта на електронната физика и устройства, която създава устройства, способни да преобразуват обработените сигнали във визуални дисплеи. И накрая, съществува областта на системите, която гарантира, че тези устройства работят надеждно като система, и компютърната област, която обработва информацията, съдържаща се в сигналите. Следователно, електричеството като сигнал не е просто напрежение; то е ценна информация, с която трябва да се борави много внимателно.
Напоследък областите на изследване в електротехниката се разшириха значително, което изисква значително място само за представяне на подобласти. Този път ще обясним електротехническите технологии, прилагани за ЯМР. ЯМР е обединение на електротехнически технологии. По принцип ЯМР изисква мощен електромагнит. Вероятно си спомняте от часовете по природни науки в началното училище как сте правили електромагнит и сте виждали модела, нарисуван от железни стружки, привлечени към него. Електромагнитът, вграден в ЯМР, е много по-мощен, поради което знаете, че не можете да внасяте никакви метални предмети в ЯМР сканиране.
Този мощен електромагнит подравнява водните молекули в телата ни по посока на своето магнитно поле. Всъщност, макар рядко да го възприемаме, над 90% от всички сили във Вселената са електромагнитни сили. Електромагнитните сили обикновено са в равновесие, което ги прави трудни за усещане от хората. Когато обаче това равновесие е нарушено, възникват явления като статично електричество или мълния. Връщайки се към ЯМР, когато водните молекули в равновесие получават електромагнитни вълни с определена честота, те започват да вибрират. Това е подобно на резонансния ефект, при който дърпането на струна на струнен инструмент произвежда специфичен звук. Ето защо ЯМР се нарича „магнитно-резонансна томография“.
Когато бъдат стимулирани, вибриращите водни молекули излъчват електромагнитни вълни със специфични честоти. Интензитетът на тези излъчени вълни варира в зависимост от плътността на водата в тъканите на тялото. Използвайки този принцип, приемник улавя сигналите, оценява структурата на тъканите на тялото и преобразува тази информация в изображение, което лекарят може да интерпретира. Ранните ЯМР апарати са отнемали много време, за да уловят сигналите, което понякога е карало пациентите да изпитват клаустрофобия.
Първоначално електроинженери, специализирани в обработката на сигнали, се посветиха на изследвания в областта на магнитно-резонансната томография (ЯМР), за да намалят дискомфорта на пациентите и да осигурят по-бързо изобразяване на информация за повече пациенти. В резултат на това изображения, почти неразличими от оригинала, можеха да бъдат получени с помощта на значително по-малко сигнали, отколкото преди. Наскоро технологията за ЯМР напредна до степен, че е възможно наблюдение на сърдечното движение в реално време. Тази технология играе важна роля в драстичната обработка на биологична информация.
По този начин електротехниката вече обхваща не само електронните устройства, дълбоко вкоренени в живота ни, но и медицината, 3D изображенията, обработката на информация и дори изкуствения интелект. Под името електричество тя се разширява в невъобразими сфери. В бъдеще електротехниката ще се развие отвъд простата обработка на сигнали в област, в която компютрите обработват сигналите по-интелигентно.
