Šajā emuāra ierakstā mēs izpētīsim, kā elektrotehnika — elektrības un informācijas tehnoloģiju apvienojums — pārveido mūsdienu sabiedrību un kā tā tiek pielietota dažādās jomās.
Ko, jūsuprāt, studē "Elektroinženierijas katedra"? Parasti, dzirdot vārdu "elektrība", cilvēki vispirms domā par statisko elektrību, ko varētu sajust aukstā, sausā ziemas dienā. Viņi domā arī par enerģiju, kas darbina apgaismojumu, ļaujot cilvēkiem būt aktīviem gaišās telpās tumšās naktīs, vai par elektrību, ko izmanto sadzīves tehnikas darbināšanai, kas atvieglo dzīvi. Tikko minētie piemēri precīzi raksturo elektrību – būtisku mūsdienu sabiedrības resursu, ar kuru mēs bieži sastopamies sev apkārt. Tomēr cilvēkiem bieži ir grūti aptvert, kas notiek, kad elektrība un inženierzinātnes apvienojas.
Senāk to sauca par "Elektrotehnikas katedru", bet nesen tas tika mainīts uz "Elektrotehnikas un informācijas inženierijas katedru". Kāpēc mainīt nosaukumu? Kāda ir saistība starp elektrību un informāciju? Lai gan nosaukuma maiņai, iespējams, bija vairāki iemesli, es vēlētos paskaidrot, kāda veida pētījumi notiek Elektrotehnikas katedrā, izmantojot iemeslu, ko uzskatu par vissvarīgāko.
Elektrotehnikā "elektrību" var plaši iedalīt elektrībā kā enerģijā un elektrībā kā signālā. Mani īpaši interesē joma, kas saistīta ar elektrību kā signālu, un šī tehnoloģija ir ievērojami attīstījusies, tiktāl, ka tā būtiski ietekmē citas nozares. Tā pat tiek izmantota pašā elektroenerģijas jomā. Lai vispirms izskaidrotu elektroenerģijas jomu, ir vieglāk saprast enerģiju kā enerģijas avotu, kas pārvieto objektus.
Kā enerģija elektrība tiek ražota elektrostacijās, pārvadīta visā valstī un izmantota dažādu ierīču darbināšanai. Tāpēc tie, kas specializējas elektroenerģijā, pēta, kā efektīvi ražot elektrību, kā uzglabāt šo enerģijas avotu akumulatoros un kā samazināt zudumus un izmaksu ziņā efektīvi pārvadīt elektrību.
Salīdzinot ar citiem enerģijas avotiem, piemēram, siltumenerģiju, elektroenerģija ir ļoti organizēta. Tas ļauj to pārvadīt lielos attālumos ar minimāliem zudumiem un padara to piemērotu pārveidošanai citās enerģijas formās. Tā kā elektroenerģija ir tik labi piemērota, lai apstrādātu milzīgo enerģijas daudzumu, ko cilvēce patērē, dzīve bez elektrības mūsdienu sabiedrībā nav iedomājama. Tas viss ir pateicoties enerģētiķu ieguldījumam.
Tagad paskaidrosim elektrību kā signālu. Elektrība kā signāls ir visaptverošāks jēdziens nekā elektrība kā jauda. Pirmkārt, ņemot vērā signāla definīciju, elektrotehnikā signālu var definēt kā fizisku lielumu, kas pārraida informāciju. Konkrēti, starp dažādiem fizikāliem lielumiem, piemēram, temperatūru, ātrumu, skaņu un spiedienu, tas attiecas uz spriegumu, kas pārraida informāciju. Ir signālu apstrādes joma, kas efektīvi uztver signālus un apstrādā tos mums saprotamā formā, un ir sakaru joma, kas nodarbojas ar tādām ierīcēm kā radioaparāti vai telefoni, kas sūta un saņem šos signālus. Tā ir, gluži burtiski, disciplīna, kas nodarbojas ar pašiem signāliem.
Lai šīs tehnoloģijas varētu viegli izmantot jebkurā laikā un vietā, mums ir nepieciešamas sarežģītākas metodes. Pastāv shēmu joma, kas rada shēmas signālu pastiprināšanai un uzglabāšanai, kuri ir nosūtīti tālu pa sakariem un tādējādi ir samazinājušies. Pastāv arī pusvadītāju joma, kas ražo pusvadītāju ierīces, kas veido šīs shēmas. Turklāt pastāv elektroniskās fizikas un ierīču joma, kas rada ierīces, kas spēj pārveidot apstrādātus signālus vizuālos attēlos. Visbeidzot, ir sistēmu joma, kas nodrošina šo ierīču drošu darbību kā sistēma, un datoru joma, kas apstrādā signālos ietverto informāciju. Tāpēc elektrība kā signāls nav tikai spriegums; tā ir vērtīga informācija, ar kuru jāapietas ļoti uzmanīgi.
Nesen elektrotehnikas pētniecības jomas ir ievērojami paplašinājušās, un ir nepieciešams ievērojams laiks, lai vienkārši iepazīstinātu ar apakšnozarēm. Šoreiz mēs izskaidrosim elektrotehnikas tehnoloģijas, kas tiek izmantotas MRI. MRI ir elektrotehnikas tehnoloģiju apvienojums. Būtībā MRI ir nepieciešams jaudīgs elektromagnēts. Jūs droši vien atceraties no pamatskolas dabaszinību stundām, kad izgatavojāt elektromagnētu un redzējāt, kā tam pievilktas dzelzs skaidas zīmē rakstu. MRI iebūvētais elektromagnēts ir daudz jaudīgāks, tāpēc jūs zināt, ka MRI skenēšanā nedrīkst ienest metāla priekšmetus.
Šis spēcīgais elektromagnēts mūsu ķermeņos novieto ūdens molekulas tā magnētiskā lauka virzienā. Patiesībā, lai gan mēs to reti uztveram, vairāk nekā 90% no visiem spēkiem Visumā ir elektromagnētiskie spēki. Elektromagnētiskie spēki parasti atrodas līdzsvarā, tāpēc cilvēkiem tos ir grūti uztvert. Tomēr, kad šis līdzsvars tiek izjaukts, rodas tādas parādības kā statiskā elektrība vai zibens. Atgriežoties pie MRI, kad līdzsvarā esošas ūdens molekulas saņem noteiktas frekvences elektromagnētiskos viļņus, tās sāk vibrēt. Tas ir līdzīgi rezonanses efektam, kad, nospiežot stīgu uz stīgas, tiek radīta noteikta nots. Tāpēc MRI sauc par "magnētiskās rezonanses attēlveidošanu".
Kad tiek stimulētas, vibrējošās ūdens molekulas izstaro elektromagnētiskos viļņus noteiktās frekvencēs. Šo izstaroto viļņu intensitāte mainās atkarībā no ūdens blīvuma ķermeņa audos. Izmantojot šo principu, uztvērējs uztver signālus, novērtē ķermeņa audu struktūru un pārveido šo informāciju attēlā, ko ārsts var interpretēt. Agrīnajām MRI iekārtām signālu iegūšana prasīja ilgu laiku, dažkārt izraisot pacientiem klaustrofobiju.
Sākotnēji elektrotehnikas inženieri, kas specializējās signālu apstrādē, veltīja sevi MRI pētījumiem, lai mazinātu pacientu diskomfortu un nodrošinātu ātrāku attēlveidošanu lielākam pacientu skaitam. Tā rezultātā attēlus, kas gandrīz neatšķiras no oriģināla, varēja iegūt, izmantojot ievērojami mazāk signālu nekā iepriekš. Nesen MRI tehnoloģija ir attīstījusies tiktāl, ka ir iespējama sirds kustības novērošana reāllaikā. Šai tehnoloģijai ir liela nozīme bioloģiskās informācijas dramatiskā apstrādē.
Tādējādi elektrotehnika tagad aptver ne tikai elektroniskās ierīces, kas ir dziļi iesakņojušās mūsu dzīvē, bet arī medicīnu, 3D attēlveidošanu, informācijas apstrādi un pat mākslīgo intelektu. Ar nosaukumu elektrība tā paplašinās līdz neiedomājamām jomām. Virzoties uz priekšu, elektrotehnika attīstīsies no vienkāršas signālu apstrādes uz jomu, kurā datori apstrādā signālus inteliģentāk.
