電機工程史

本文詳述電機工程學的歷史。

遠古發展

早在人們對電有任何認識之前，就已經知道電魚會電擊。可追溯至西元前2750年的古埃及文獻將這些魚稱為「尼羅河的雷神」，並形容牠們是所有其他魚類的「保護者」。千年之後，古希臘、羅馬和阿拉伯的博物學家與醫師再次報導了電魚。包括老普林尼和斯克里波尼烏斯·拉格斯在內的幾位古代作家，都證實了電鯰和電鰩所發出的電擊具有麻痺效果，並且知道這種電擊可以沿著導電物體傳播。患有痛風或頭痛等疾病的病人，會被指示去觸摸電魚，希望強烈的電擊能夠治癒他們。關於閃電與任何其他來源的電的同一性，最早也最接近的發現可能要歸功於阿拉伯人，他們在15世紀以前，就已將阿拉伯語中表示閃電的詞「ra‘ad」()應用於電鰩。

地中海周圍的古代文化知道某些物體，例如琥珀棒，可以用貓毛摩擦來吸引像羽毛一樣的輕物。古希臘哲學家米利都的泰利斯在約西元前600年寫作時，描述了一種靜電形式，他注意到在多種物質上摩擦毛皮，例如琥珀，會在這兩者之間產生一種特殊的吸引力。他指出琥珀鈕扣可以吸引像頭髮這樣的輕物，如果他們摩擦琥珀夠久，甚至可以產生火花。

約在西元前450年，後來的希臘哲學家德謨克利特發展了一種與現代原子理論相似的原子理論。他的導師留基伯也被認為是此理論的共同創始人。留基伯和德謨克利特的假說認為，萬物皆由原子構成。但這些被稱為「atomos」的原子是不可分割、不可摧毀的。他有先見之明地指出，原子之間存在著真空，且原子不斷地在運動。他唯一的錯誤是認為原子有不同的大小和形狀，且每種物體都有其自身形狀和大小的原子。

1938年在伊拉克發現的一件物品，年代約為西元前250年，被稱為巴格達電池，其外形類似一個伽伐尼電池，有些人聲稱它曾在美索不達米亞地區用於電鍍，儘管此說法並無證據。

17世紀的發展

數千年來，電基本上只是一種知識上的好奇。1600年，英國科學家威廉·吉爾伯特擴展了卡爾達諾對電與磁的研究，區分了天然磁石效應與摩擦琥珀產生的靜電。他創造了新拉丁詞 `electricus`（「琥珀的」或「像琥珀的」，源自希臘語中的「琥珀」`ήλεκτρον` [elektron]）來指稱摩擦後吸引小物體的特性。這個關聯催生了英語單詞「electric」和「electricity」，這兩個詞首次出現在1646年托馬斯·布朗的《Pseudodoxia Epidemica》一書中。

奧托·馮·格里克進行了進一步的研究，展示了靜電相斥的現象。羅伯特·波以耳也發表了相關著作。

18世紀的發展

儘管電現象已為人所知數世紀，但在18世紀，對電的系統性研究成為了所謂「最年輕的科學」，公眾也對該領域的最新發現感到興奮。

到了1705年，弗朗西斯·霍克斯比發現，如果他將少量水銀放入他改良版的奧托·馮·格里克發電機的玻璃球中，抽掉裡面的空氣以製造一個輕度真空，然後摩擦球體以積累電荷，當他將手放在球體外部時，可以看到一道輝光。這道光亮到足以用來閱讀。它似乎與聖艾爾摩之火相似。這個效應後來成為氣體放電燈的基礎，進而發展出霓虹燈和汞蒸氣燈。1706年，他製造了一台「感應起電機」來產生這種效應。同年，他獲選為皇家學會院士。

霍克斯比持續進行電學實驗，做了大量觀察，並開發了用來產生和展示各種電現象的機器。1709年，他出版了《關於各種主題的物理力學實驗》，總結了他大部分的科學工作。

史蒂芬·格雷發現了絕緣體和導體的重要性。夏爾·法蘭索瓦·杜·菲看到他的研究後，發展出一套「雙流體」電學理論。

在18世紀，班傑明·富蘭克林對電學進行了廣泛的研究，甚至變賣家產以資助其工作。據說在1752年6月，他將一把金屬鑰匙繫在一條濕的風箏線的末端，並在一個暴風雨將至的天空中放飛風箏。一連串從鑰匙跳到他手背的火花顯示，閃電本質上確實是電。他還提出了單流體、兩種狀態的電學理論，解釋了萊頓瓶作為儲存大量電荷裝置看似矛盾的行為。

1791年，義大利的路易吉·伽伐尼發表了他對生物電的發現，證明了電是神經細胞向肌肉傳遞信號的媒介。1800年，亞歷山卓·伏打由鋅和銅交替層疊製成的電池，或稱伏打電堆，為科學家們提供了一種比以往使用的靜電產生機更可靠的電能來源。

19世紀的發展

電學的第一個實際應用是電磁學。威廉·斯特金於1825年發明了電磁鐵。電磁鐵隨後被威廉·福瑟吉爾·庫克和查爾斯·惠斯通應用於電學的第一個實用工程，他們共同開發了一套電報系統，該系統使用板上的一些指針移動指向字母表上的字母。最初使用的是五針系統，但因成本過高而被放棄。1838年，一項改進將指針數減少到兩個，庫克和惠斯通為此版本申請了專利。 庫克先後與倫敦與布萊克沃爾鐵路公司、倫敦與伯明罕鐵路公司以及大西部鐵路公司合作測試此發明，這些公司允許他使用其線路進行實驗。隨後，鐵路公司發展出沿線設有信號箱的系統，信號箱之間透過電報式的單擊鈴聲和三位指針電報儀器進行通訊。這種實施信號閉塞系統的裝置在鄉村線路上一直使用到21世紀。

電機工程學在19世紀末成為一門專業。從業人員建立了一個全球性的電報網絡，英國和美國也成立了首批電機工程機構以支持這門新學科。雖然無法精確指出第一位電機工程師是誰，但法蘭西斯·羅納茲無疑是該領域的先驅，他於1816年創造了一個可運作的電報系統，並記錄了他對電力如何改變世界的願景。50多年後，他加入了新成立的電報工程師學會（不久後更名為電機工程師學會），在那裡他被其他成員視為他們當中的第一人。他捐贈的大量電學藏書對這個初創的學會是一大福音。

在19世紀，使用研究技術為電機工程學奠定科學基礎的發展加劇。本世紀初的顯著發展包括格奧爾格·歐姆在1827年量化了導體中電流與電位差之間的關係，以及麥可·法拉第在1831年發現了電磁感應。在1830年代，格奧爾格·歐姆也建造了一台早期的靜電產生機。單極發電機最早由麥可·法拉第在他1831年那次著名的實驗中開發出來。這是現代發電機的開端——也就是利用磁場運作的發電機。1866年，維爾納·馮·西門子發明了不需要外部磁力的工業發電機，這使得一系列其他發明成為可能。

1873年，詹姆斯·克拉克·馬克士威在《電磁學通論》中發表了對電與磁的統一處理，這激勵了幾位理論家以馬克士威方程組所描述的「場」來思考。1878年，英國發明家詹姆斯·溫斯赫斯特開發了一種裝置，它有兩個玻璃盤安裝在兩根軸上。直到1883年，溫斯赫斯特起電機才更完整地向科學界報告。

在19世紀後期，電學研究主要被視為物理學的一個分支領域。直到19世紀末，大學才開始提供電機工程學位。 1882年，達姆施塔特工業大學創立了全球第一個電機工程學的講座和學系。同年，在查爾斯·克羅斯教授的領導下，麻省理工學院開始在物理系內提供第一個電機工程學的選項。1883年，達姆施塔特工業大學和康乃爾大學開設了世界上第一批電機工程學的學習課程，1885年，倫敦大學學院在英國設立了第一個電機工程學講座。隨後，密蘇里大學於1886年在美國成立了第一個電機工程學系。

在此期間，電的商業用途急劇增加。從1870年代末開始，城市開始安裝基於弧光燈的大型電氣街道照明系統。在為室內照明開發出實用的白熾燈後，湯瑪斯·愛迪生於1882年啟用了世界上第一個公共電力供應設施，使用被認為相對安全的110伏特直流電系統為客戶供電。1880年代的工程進步，包括變壓器的發明，導致電力公司開始採用交流電作為室內外照明的配電標準（在此類用途上最終取代了直流電），而交流電在此之前主要用於弧光燈系統。在美國，西屋公司的交流電系統與愛迪生的直流電系統之間存在一場被稱為「電流戰爭」的競爭。

「到了1890年代中期，四個『馬克士威方程組』被公認為是所有物理學中最強大和最成功的理論之一的基礎；它們已與牛頓的力學定律並駕齊驅，甚至成為其競爭對手。這些方程組當時也被應用於實踐中，最引人注目的是在新興的無線電通訊技術中，也應用於電報、電話和電力工業。」到19世紀末，電機工程學進程中的重要人物開始嶄露頭角。

查爾斯·普羅透斯·史坦梅茲為工程師們構建了數學理論，協助推動了交流電的發展，從而使美國電力工業的擴張成為可能。

無線電與電子學的興起

在無線電的發展過程中，許多科學家和發明家為無線電技術和電子學做出了貢獻。海因里希·赫茲在其1888年的經典超高頻實驗中，證明了電磁波（無線電波）的存在，這促使許多發明家和科學家試圖將其應用於商業用途，例如古列爾莫·馬可尼（1895年）和亞歷山大·波波夫（1896年）。

毫米波通訊最早由賈格迪什·錢德拉·玻色在1894至1896年間進行研究，當時他在實驗中達到了高達60GHz的極高頻率。他還引入了使用半導體結來偵測無線電波的方法，並於1901年為礦石收音機檢波器申請了專利。

20世紀的發展

1904年，約翰·佛萊明發明了第一個真空管，即二極體。

雷金納德·費森登認識到必須產生連續波才能實現語音傳輸，到1906年底，他發送了第一次無線電語音廣播。同樣在1906年，羅伯特·馮·李本和李·德富雷斯特各自獨立開發了放大管，稱為三極體。1931年，艾德溫·霍華·阿姆斯壯的技術使電子電視成為可能。

在1920年代初期，人們對開發電力家用應用的興趣日益濃厚。公眾的興趣促成了諸如「未來之家」等展覽的舉辦，在英國，婦女電氣協會於1924年成立，由卡羅琳·哈斯萊特擔任總監，以鼓勵女性參與電機工程。

第二次世界大戰期間

第二次世界大戰見證了電子學領域的巨大進步；尤其是在雷達方面，以及1940年由伯明罕大學的藍道爾與布特發明的磁控管。無線電定位、無線電通訊和飛機無線電導引都在此時得到發展。早期的一種電子計算裝置，巨人計算機，由英國郵政總局的湯米·佛勞斯建造，用於破解德國勞倫茲密碼機的加密訊息。此時也開發了供秘密特工使用的先進秘密無線電發射器和接收器。

當時美國的一項發明是一種能將溫斯頓·邱吉爾和富蘭克林·羅斯福之間的電話通話加密的裝置。這被稱為綠色大黃蜂系統，其工作原理是在信號中插入噪音，然後在接收端將噪音濾除。這個系統從未被德國人破解。

美國在戰爭訓練計畫中，於無線電測向、脈衝線性網絡、頻率調變、真空管電路、傳輸線理論和電磁工程基礎等領域進行了大量工作。這些研究在戰後不久發表於1946年由麥格勞-希爾出版的所謂「無線電通訊系列」中。

1941年，康拉德·楚澤展示了Z3，這是世界上第一台功能齊全且可編程的計算機。

戰後時期

第二次世界大戰之前，這個學科通常被稱為「無線電工程」，主要局限於通訊和雷達、商業廣播和早期電視等方面。當時，在大學裡學習無線電工程只能作為物理學位的一部分。

後來，在戰後年代，隨著消費性裝置開始發展，該領域擴展到包括現代電視、音響系統、高傳真音響，以及後來的電腦和微處理器。 1946年，約翰·普雷斯珀·埃克特和約翰·莫奇利的ENIAC（電子數值積分計算機）問世，開啟了計算機時代。這些機器的算術性能使工程師能夠開發全新的技術並實現新的目標，包括阿波羅計畫和NASA登月。

在1950年代中後期，「無線電工程」一詞逐漸被「電子工程」所取代，後者隨後成為一個獨立的大學學位科目，通常與電機工程一起教授，因為兩者之間存在一些相似之處。

固態電子學

第一個能運作的電晶體是點接觸式電晶體，由約翰·巴丁和沃爾特·豪澤·布拉頓於1947年在貝爾電話實驗室（BTL）為威廉·肖克利工作時發明。他們隨後於1948年發明了雙極性接面電晶體。雖然早期的接面電晶體體積相對較大，難以大規模生產，但它們為更緊湊的裝置打開了大門。

最早的積體電路是1958年由德州儀器的傑克·基爾比發明的混合積體電路，以及1959年由仙童半導體的羅伯特·諾伊斯發明的單片積體電路晶片。

1955年，卡爾·弗羅施和林肯·德里克在矽晶圓上意外地生長出一層二氧化矽，並觀察到其表面鈍化效應。到了1957年，弗羅施和德里克利用光罩和預沉積技術，發表了他們製造的二氧化矽平面電晶體，這是第一批汲極和源極位於同一表面的場效電晶體。他們證明了二氧化矽能絕緣、保護矽晶圓，並防止摻雜物擴散到晶圓中。

繼這項研究之後，穆罕默德·阿塔拉和姜大元於1959年提出了一種矽基金氧半電晶體（MOS transistor），並於1960年與他們在貝爾實驗室的團隊成功展示了一個可運作的MOS裝置。他們的團隊包括製造該裝置的E. E. LaBate和E. I. Povilonis；開發擴散製程的M. O. Thurston、L. A. D’Asaro和J. R. Ligenza；以及對該裝置進行特性分析的H. K. Gummel和R. Lindner。這是始於利林菲爾德的數十年場效研究的巔峰之作。

MOSFET是第一種真正緊湊、可以小型化並大量生產以供廣泛用途的電晶體。它徹底改變了電子工業，成為世界上使用最廣泛的電子裝置。

約翰·巴丁、威廉·肖克利、沃爾特·布拉頓 – 電晶體 (1947) 羅伯特·諾伊斯 – 單片積體電路晶片 (1959) 戈登·摩爾 – 摩爾定律 (1965) 費德里科·法金 – 矽閘MOSFET (1968) 與微處理器 (1971) 馬爾奇安·霍夫 – 微處理器 (1971) 嶋正利、史丹利·馬佐爾 – 微處理器 (1971)

MOSFET使得建造高密度積體電路晶片成為可能。最早的實驗性MOS IC晶片由弗雷德·海曼和史蒂文·霍夫斯坦於1962年在RCA實驗室製造。MOS技術促成了摩爾定律，即戈登·摩爾在1965年預測的IC晶片上電晶體數量每兩年翻一番。矽閘MOS技術由費德里科·法金於1968年在仙童公司開發。從那時起，MOSFET一直是現代電子學的基本構成單元。矽MOSFET和MOS積體電路晶片的大規模生產，以及以指數速度持續的MOSFET微縮（如摩爾定律所預測），從此為技術、經濟、文化和思維帶來了革命性的變革。

阿波羅計畫在1969年以阿波羅11號將太空人送上月球而達到高潮，這得益於NASA採用了半導體電子技術的進步，包括在行星際監測平台（IMP）中使用的MOSFET，以及在阿波羅導引電腦（AGC）中使用的矽積體電路晶片。

1960年代MOS積體電路技術的發展導致了1970年代初微處理器的發明。第一款單晶片微處理器是1971年發布的英特爾4004。英特爾4004由費德里科·法金利用他的矽閘MOS技術，與英特爾的馬爾奇安·霍夫、史丹利·馬佐爾以及Busicom公司的嶋正利共同設計和實現。這點燃了個人電腦的發展。4位元的4004之後，1973年推出了8位元的英特爾8080處理器，這使得第一台個人電腦Altair 8800的建造成為可能。

參見

• 電子工程學史
• 電磁學史
• 無線電史

外部連結

• 與電機工程學相關的諾貝爾獎（含相關專利）
• 《衝擊與敬畏：電的故事》– 吉姆·哈利利 BBC Horizon
• 〈Electrickery〉，BBC廣播四台與西蒙·謝弗、派翠西亞·法拉及伊萬·莫魯斯的討論（《在我們的時代》，2004年11月4日）
• 《給男孩的電學》（1914年），作者詹姆斯·斯勞·澤爾布。

de:Elektrotechnik#Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik