W tym wpisie na blogu przyjrzymy się, w jaki sposób elektrotechnika — połączenie elektryczności i technologii informacyjnej — zmienia współczesne społeczeństwo i jak jest stosowana w różnych dziedzinach.
Jak myślisz, czym zajmuje się „Wydział Elektrotechniki”? Zazwyczaj, gdy ludzie słyszą słowo „elektryczność”, myślą najpierw o elektryczności statycznej, czymś, co można poczuć w zimny, suchy zimowy dzień. Myślą również o energii, która zasila oświetlenie, umożliwiając ludziom aktywność w jasnych pomieszczeniach w ciemne noce, lub o energii elektrycznej wykorzystywanej do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego, które ułatwiają życie. Wymienione przykłady trafnie opisują elektryczność, podstawowy towar współczesnego społeczeństwa, z którym często się spotykamy. Jednak ludzie często mają trudności ze zrozumieniem, co się dzieje, gdy elektryczność i inżynieria się łączą.
Dawno temu nazywał się „Wydział Elektrotechniki”, ale ostatnio zmienił nazwę na „Wydział Elektrotechniki i Inżynierii Informatycznej”. Dlaczego zmieniono nazwę? Jaki jest związek między elektrycznością a informacją? Chociaż prawdopodobnie istniało wiele powodów zmiany nazwy, chciałbym wyjaśnić, jakie badania są prowadzone na Wydziale Elektrotechniki, przedstawiając powód, który uważam za najważniejszy.
W elektrotechnice „elektryczność” można ogólnie podzielić na elektryczność jako energię i elektryczność jako sygnał. Szczególnie interesuje mnie dziedzina zajmująca się elektrycznością jako sygnałem, a technologia ta poczyniła znaczne postępy, do tego stopnia, że ma ogromny wpływ na inne gałęzie przemysłu. Znajduje ona zastosowanie nawet w samej dziedzinie energii elektrycznej. Aby najpierw wyjaśnić pole energii elektrycznej, łatwiej jest zrozumieć energię jako źródło energii, które porusza obiekty.
Energia elektryczna jest wytwarzana w elektrowniach, przesyłana w całym kraju i wykorzystywana do zasilania różnych urządzeń. Dlatego specjaliści w dziedzinie energii elektrycznej badają, jak efektywnie wytwarzać energię elektryczną, jak magazynować to źródło energii w akumulatorach oraz jak minimalizować straty i ekonomicznie przesyłać energię elektryczną.
W porównaniu z innymi źródłami energii, takimi jak energia cieplna, energia elektryczna jest wysoce zorganizowana. Pozwala to na jej przesył na duże odległości z minimalnymi stratami i umożliwia jej przetwarzanie na inne formy energii. Ponieważ energia elektryczna jest tak dobrze przystosowana do przetwarzania ogromnych ilości energii zużywanej przez ludzkość, życie bez elektryczności we współczesnym społeczeństwie jest niewyobrażalne. Wszystko to dzięki wkładowi inżynierów energetycznych.
Wyjaśnijmy teraz pojęcie elektryczności jako sygnału. Elektryczność jako sygnał to pojęcie bardziej kompleksowe niż elektryczność jako moc. Po pierwsze, rozważając definicję sygnału, w elektrotechnice sygnał można zdefiniować jako wielkość fizyczną, która przekazuje informacje. Konkretnie, wśród różnych wielkości fizycznych, takich jak temperatura, prędkość, dźwięk i ciśnienie, sygnał odnosi się do napięcia, które przekazuje informacje. Istnieje dziedzina przetwarzania sygnałów, która efektywnie odbiera sygnały i przetwarza je do postaci zrozumiałej dla nas, oraz dziedzina komunikacji, która zajmuje się urządzeniami takimi jak radia czy telefony, które wysyłają i odbierają te sygnały. Jest to, dosłownie, dyscyplina zajmująca się samymi sygnałami.
Aby łatwo korzystać z tych technologii w dowolnym czasie i miejscu, potrzebujemy bardziej zaawansowanych technik. Istnieje dziedzina elektroniki, która tworzy obwody wzmacniające i przechowujące sygnały przesyłane na duże odległości za pośrednictwem komunikacji, a przez to osłabione. Istnieje również dziedzina półprzewodników, która produkuje urządzenia półprzewodnikowe tworzące te obwody. Ponadto istnieje dziedzina fizyki elektronicznej i urządzeń elektronicznych, która tworzy urządzenia zdolne do przetwarzania przetworzonych sygnałów na wyświetlacze wizualne. Wreszcie istnieje dziedzina systemów, która zapewnia niezawodne działanie tych urządzeń jako systemu, oraz dziedzina komputerów, która przetwarza informacje zawarte w sygnałach. Zatem elektryczność jako sygnał to nie tylko napięcie; to cenna informacja, z którą należy obchodzić się z wielką ostrożnością.
W ostatnim czasie obszary badawcze w elektrotechnice znacznie się rozszerzyły, co wymagało sporo miejsca na samo wprowadzenie tych dziedzin. Tym razem wyjaśnimy technologie elektrotechniczne stosowane w rezonansie magnetycznym (MRI). MRI to połączenie technologii elektrotechnicznych. Zasadniczo MRI wymaga silnego elektromagnesu. Prawdopodobnie pamiętasz z lekcji fizyki w szkole podstawowej, jak konstruowano elektromagnes i obserwowano wzór rysowany przez opiłki żelaza. Elektromagnes wbudowany w MRI jest znacznie silniejszy, dlatego wiesz, że nie można wnosić na jego obszar żadnych metalowych przedmiotów.
Ten potężny elektromagnes ustawia cząsteczki wody w naszych ciałach wzdłuż kierunku swojego pola magnetycznego. W rzeczywistości, choć rzadko to dostrzegamy, ponad 90% wszystkich sił we wszechświecie to siły elektromagnetyczne. Siły elektromagnetyczne zazwyczaj znajdują się w stanie równowagi, co utrudnia ich wyczuwanie przez ludzi. Jednak gdy równowaga ta zostaje zaburzona, występują zjawiska takie jak elektryczność statyczna czy wyładowania atmosferyczne. Wracając do rezonansu magnetycznego (MRI), gdy cząsteczki wody w stanie równowagi odbierają fale elektromagnetyczne o określonej częstotliwości, zaczynają wibrować. Jest to podobne do efektu rezonansu, w którym szarpnięcie struny instrumentu strunowego generuje określony dźwięk. Dlatego MRI nazywa się „obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego” (MRI).
Po stymulacji wibrujące cząsteczki wody emitują fale elektromagnetyczne o określonych częstotliwościach. Intensywność tych emitowanych fal zmienia się w zależności od gęstości wody w tkankach organizmu. Wykorzystując tę zasadę, odbiornik przechwytuje sygnały, ocenia strukturę tkanek organizmu i przetwarza te informacje na obraz, który lekarz może zinterpretować. Wczesne aparaty do rezonansu magnetycznego potrzebowały dużo czasu na uzyskanie sygnału, co czasami powodowało u pacjentów klaustrofobię.
Początkowo inżynierowie elektrycy specjalizujący się w przetwarzaniu sygnałów poświęcili się badaniom nad rezonansem magnetycznym (MRI), aby zmniejszyć dyskomfort pacjentów i umożliwić szybsze obrazowanie większej liczby pacjentów. W rezultacie obrazy niemal nieodróżnialne od oryginału można było uzyskać przy użyciu znacznie mniejszej liczby sygnałów niż dotychczas. Ostatnio technologia MRI rozwinęła się do tego stopnia, że możliwa jest obserwacja ruchu serca w czasie rzeczywistym. Technologia ta odgrywa kluczową rolę w radykalnym przetwarzaniu informacji biologicznych.
W ten sposób elektrotechnika obejmuje obecnie nie tylko urządzenia elektroniczne głęboko zakorzenione w naszym życiu, ale także medycynę, obrazowanie 3D, przetwarzanie informacji, a nawet sztuczną inteligencję. Pod nazwą elektryczności, rozszerza się na niewyobrażalne obszary. W przyszłości elektrotechnika wykroczy poza proste przetwarzanie sygnałów, stając się dziedziną, w której komputery będą przetwarzać sygnały w sposób bardziej inteligentny.
