هندسة كهربائية
هندسة الكهرباء بالإنجليزية: Electrical engineering أحيانا تسمي هندسة الكهرباء والإكترونيات هي تخصص هندسي يتعامل مع دراسة وتطبيقات علوم الكهرباء والإلكترونيات والمجالاتالكهرومغناطيسية .
في بادئ الأمر أصبح هذا المجال معروفا في أواخر القرن التاسع عشر وذلك بعد انتشار التيليغراف ومحطات امداد الطاقة. والان يغطي هذا المجال عدد من المواضيع الفرعية والتي تتضمن الطاقة، الالكترونيات ،نظم التحكم، معالجة الإشارات والاتصالات اللاسلكية.
ومن الممكن أن نقول أن الهندسة الكهربية تتضمن أيضا هندسة الالكترونيات ولكن يوجد اختلاف بينهما ،حيث تهتم هندسة الكهرباء بالامور المتعلقة بنظم الكهرباء عالية الجهد مثل نقل الطاقة و التحكم في المحركات ، بينما تتعامل هندسة الالكترونيات مع دراسة النظم الالكترونية ذات المقاييس المنخفضة(تيار منخفض –جهد منخفض) ويتضمن ذلك علوم الحاسبات والدوائر المتكاملة.
باختصار يمكن القول أن مهندسي الكهرباء دائما ما يهتمون باستخدام الكهرباء لنقل الطاقة، بينما يهتم مهندسو الالكترونيات باستخدام الكهرباء لنقل المعلومات.
وقد يشار إلى الهندسة الإلكترونية على نحو مستقل عند الحديث عن الهندسة الكهربائية؛ إذ تعدّ الهندسة الإلكترونية فرعاً من العلوم التطبيقية التي تتعامل مع التيارات والتوترات الضعيفة، وتعد الحواسيب و الدارات المتكاملة integrated circuits جزءاً من الهندسة الإلكترونية، في حين تتعامل الهندسة الكهربائية مع التيارات والتوترات العالية.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
تخصصات هندسة الكهرباء
التقسيم الكلاسيكي للهندسة الكهربائية كان هندسة تيار الجهد العالي والتي تعرف اليوم بهندسة الطاقة و هندسة المحركات والقسم الآخر هندسة تيار الجهد المنخفض والتي تطورت لتصبح هندسة الاتصالات. إضافة إلى ذلك فقد اوجدت مجالات هندسية جديدة في اطار هندسة الكهرباء ومنها هندسة القياسات ، هندسة التحكم و الالكترونيات. ومع الوقت وازدياد التطور فقد اضيف لكل فرع من هذه الفروع العديد من المجالات الجديدة، وفي يومنا هذا أصبح من الصعب الاستغناء عن المعدات الكهربائية في معظم مجالات الحياة. ليس بالضرورة أن تكون الاقسام التالية فروع من الهندسة الكهربائية نظرا للاختلاف بين نظام الجامعات في كل من الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا, ولكن لهذه التخصصات علاقة بشكل أو باخر بالهندسة الكهربائية.[1]
هندسة الطاقة power engineering
مقالة مفصلة: هندسة الطاقة
تهتم هندسة الطاقة بإنتاج ونقل وتحويل الطاقة الكهربائية وتقنية الضغط العالي. في معظم الاحوال تنتج الطاقة الكهربية عن طريق تحويل طاقة الدوران الميكانيكي عن طريق المولدات إلى طافة كهربائية. كما تهتم هندسة الطاقة بنطاق استهلاك الطاقة الكهربية.
وهي تهتم بتوليد الطاقة الكهربائية في مختلف أنواع محطات التوليد - الحرارية منها thermal power plants والمائية hydro power plants والنووية nuclear power plants و محطات الطاقة الريحية aeolian power plants و محطات الطاقة الكهروشمسية solar power plants و مولدات الديزل diesel plants، وكذلك بأمور نقل الطاقة الكهربائية من مراكز التوليد حتى مراكز الاستهلاك وتوزيعها على مختلف أنواع المستهلكين المنزليين والتجاريين والصناعيين بوساطة شبكات كهربائية خاصة تسمى شبكات النقل والتوزيع الكهربائية.
يعمل مهندسو الكهرباء في هذا المجال في تصميم نظم القدرة الكهربائية ويشرفون على تركيبها وصيانتها وتشغيلها وتطويرها واستثمارها. وغالباً ما تعمل شبكات النقل بالتوتر العالي والتوتر العالي جداً (230ك.ف - 400ك.ف - 700ك.ف) وتعمل شبكات التوزيع بالتوتر المتوسط والتوتر المنخفض (66 ك.ف - 20 ك.ف - 0.4 ك.ف).
هندسة المحركات
- مقالة مفصلة: هندسة المحركات
تعمل هندسة المحركات على تحويل الطاقة الكهربائية بواسطة آلات كهربائية (محركات كهربائية) إلى طاقة ميكانيكية. وتعتبر هندسة المحركات ذات أهمية عالية لتقنيات الأتمته حيث أن الكثير من المحركات الميكانيكية يتم تشغيلها كهربائيا. وتلعب الهندسة الالكترونية دورا مهما في اطار هندسة المحركات، من ناحية في مجال التحكم بالمحركات، ومن ناحية أخرى في مجال تخفيض الاستهلاك إلكترونيا. و المحركات الكهربائية المعروفة تعمل على استخدام قطبين كهربائين و ركيزة مركزية فتبدأ الركيزة بالدوران عند تضاد القطبين مع بعضهما.
هندسة الاتصالات
- مقالة مفصلة: هندسة إتصالات
بمساعدة هندسة الاتصالات يتم نقل المعلومات عن طريق النبضات الكهربية أو الموجات الكهرومغناطيسية من المرسل إلى مستقبل واحد أو عدة مستقبلين. ومن اهتمامات هندسة الاتصالات ايصال المعلومة مع اقل قدر من الخسائر في البيانات، وكذلك أيضا نظم معالجة الاشارات كالتشفير، فك التشفير والتنقية وتعتبر إحدى الدراسات المتوقع تأثيرها على مستقبل الطاقة في العالم .
هندسة الإلكترونيات
- مقالة مفصلة: هندسة الإلكترونيات
تهتم الهندسة الإلكترونية بتطوير وتصنيع واستخدامات المكونات الالكترونية مثل مكثف، مستحث وعناصر اشباه الموصلات كالصمام الثنائي والترانزيستور.
تعالج الهندسة الإلكترونية مسألة تصميم واختيار الدوائر الإلكترونية التي تعتمد على استخدام العناصر الإلكترونية المختلفة مثل المقاومات والمكثفات والملفات و ثنائيات التوصيل diod و الدوائر الإلكترونية المتكاملة IC circuits و«الترانزستور» transistors لتحقيق وظائف معينة. وقد أصبحت الهندسة الإلكترونية والدوائر الإلكترونية جزءاً لا يتجزأ من كل التطبيقات العملية المختلفة في الحياة اليومية، فالدوائر الإلكترونية توجد في كل جهاز وفي كل المعدات، من أجهزة التكييف والتبريد إلى أجهزة التدفئة وأجهزة استقبال الإشارات ومعالجتها ومعالجة الصورة والغسالات الآلية وآلات غسيل الأواني وأفران الموجات القصيرة جداً microwave oven والبرادات إضافة إلى هندسة معالجة الإشارة signal processing engineering.
المايكرو إلكترونيك
أحد فروع الهندسة الإلكترونية التي تهتم بتطوير الدوائر المتكاملة (IC) من المواد أشباه الموصلات. مثال على الدوائر المتكاملة: المعالجات. لا يعتبر المكثف و الملف قطع إلكترونية و انما قطع كهربائية ومع ذلك فهي جزء هام في تكوين الدوائر الالكترونية مثل دوائر الرنين المستخدمة في الإرسال والاستقبال, ودوائر الموائمة والشبكات التحليلية.
هندسة الحاسوب
- مقالة مفصلة: هندسة الحاسوب
مازالت هندسة الحاسوب في بعض الأنظمة الجامعية تعد أحدى شعب الهندسة الكهربائية إلا أنها لم تعد تأخذ المفهوم التقليدي المتعارف في الأربعينيات حين كانت أغلب مكونات الحاسوب موصلات كهربائية ذات أعداد هائلة. أصبح مفهوم هندسة الحاسوب متشعبا في عدة مجالات منها التصميم والصيانة, البرمجة, الأنظمة و الشبكات.
هندسة التحكم الآلي (الميكاترونيك) electric drive control
تقوم الأتمتة أو ما نطلق عليه (التحكم الآلي) على توضيف تقنيات التحكم والقياس والتقنية الرقمية لتحويل خطوات العمل اليدوية إلى ذاتية التحكم. وتعتبر هندسة التنظيم أحد أهم فروع الأتمتة حيث تستخدم على سبيل المثال في تثبيت عدد دورات المحركات الكهربية، أو في أنظمة الطيار الالي و أيضا في أنظمة الثبات في السيارة مثل ESP لمنع الانزلاق، وكذلك التحكم بحرارة الثلاجات المنزلية، ومراقبة العمليات الصناعية. وقد تجعل الأتمتة من خواص نظام القدرة الكهربائية حيث يتم التحكم بجميع عناصر شبكة القدرة من محولات ومولّدات وأجهزة حماية وأنظمة قياس عن بعد وبطريقة آلية.
يتركز اهتمام مهندسي التحكم والقيادة على نمذجة modeling مجموعة متنوعة من النظم الديناميكية وتمثيلها simulation، وعلى تصميم المتحكمات الملائمة automatic controllers للتحكم بالمنظومات الكهربائية الديناميكية بحيث تنفذ العمليات المطلوبة منها بالشكل المرغوب.
ويستعمل مهندسو الكهرباء الدوائر الكهربائية ومعالجات للإشارة الرقمية و المتحكمات الصغرية micro controllers بغية تحقيق مثل هذه المتحكمات. وتستخدم هندسة التحكم والقيادة الآلية في مجالات واسعة من التطبيقات بدءاً من الطيران و أنظمة الدفع النفاثة propulsion systems في الطائرات الحديثة وإلى مراقبة السيارات الحديثة وقيادتها.
الهندسة الكهربائية النظرية
تقوم الكهربائية النظرية بايصال القواعد النظرية و الاوصاف والشروحات الفيزيائية المستفادة من علم الكهرباء. وتنقسم إلى عدة أقسام منها نظرية الفيض لنقاش معادلات ماكسويل و نظرية الدوائر لتحليل الدوائر
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
هندسة معالجة الإشارات
هندسة الأجهزة
تخصصات ذات صلة
تاريخ وأعلام الهندسة الكهربائية
ابتدأ فصل الهندسة الكهربائية عن الفيزياء في زمن توماس اديسون و فيرنر فون سيمنس وفي بادئ الأمر كانت كل الاكتشافات والاختراعات تتعلق بالشحنة. في عام 1752 اخترع بينيامين فرانكلين موصلة الصواعق و نشر بين 1751 و 1753 نتائج تجاربه تحت عنوان "تجارب ومشاهدات عن الكهرباء" (Experiments and Observations on Electricity) . في العام 1800 قام الكساندر فولتا ببناء بطاريته الأولى المسماة "عمود فولتا" بعد اعجابه بتجربة اجراها لويجي جالفاني عام 1792. في العام 1820 قام هانز كريستيان اورستد بعمل تجارب عن انحناء ابرة البوصلة بتاثير التيار الكهربي. وفي نفس العام كرر اندريه ماري امبير تلك التجربة واثبت ان سلكين يمر فيهما التيار يؤثران بقوى على بعضهما البعض وعرف خلالها الجهد الكهربي والتيار الكهربي.
مايكل فاراداي (ينطق أيضا ميشيل فاراداي) قدم أعمال كبيرة في مجال الفيضين الكهربي والمغناطيسي، وعرف أيضا خطوط المجال. وبناء على أعمال فاراداي قدم جيمس كليرك ماكسويل اعمالا في إكمال نظرية الكهرومغناطيسية والكهروديناميكيةـ وقدم عام 1864 معادلات ماكسويل والتي تعتبر أحد أهم أسس الهندسة الكهربية.[2]
فيليب رايس اخترع عام 1860 الهاتف في معهد جارنيير في فريدريكسدورف الا ان اختراعه لم ينل القدر الكافي من الاهتمام، إلى أن "اخترع" الكساندر جراهام بيل عام 1867 أول هاتف قابل للتسويق ونجح بالفعل في تسويقه.
في اطار هندسة التيار العالي يعتبر فيرنر فون سيمنس أحد أهم الاعلام حيث اكتشف عام 1866 مبدأ الدينامو وبنى به أول مولد كهربي وبذلك أصبحت الكهرباء وللمرة الأولى متاحة للاستخدام وبكميات كبيرة. وفي العام 1876 اخترع توماس إديسون مصباح خيط الكربون مما اعطى الكهرباء دفعة كبيرة إلى داخل المجتمع المدني. في نفس الوقت عمل نيكولا تسلا و ميكايل فون دوليفو-دوبروولسكي على تطوير التيار المتردد والذي يعتبر أساس الطاقة إلى يومنا هذا.
في العام 1883 أسس ايراسموس كيتلر تخصص الهندسة الكهربائية في جامعة دارمشتات التقنية في ألمانيا (TU-Darmstadt) لتصبح أول مرة تدرس فيها في العالم. واستمرت الدراسة لمدة أربع سنوات ليتخرج الطالب بلقب مهندس كهربائي.
استطاع هاينريش رودولف هيرتز في العام 1884 اثبات معادلات ماكسويل عمليا، واثبت وجود الموجات الكهرومغناطيسية ليصبح بذلك مؤسس علم النقل اللاسلكي للإشارات ومؤسس هندسة الاتصالات.
في العام 1896 شغل غوغليلمو ماركوني أو محطة إرسال لاسلكية على مسافة 3 كم، وبناء على أعماله أصبحت في العام 1900 أولى محطات الارسال والاستقبال الراديوي متوفرة تجاريا. عام 1905 اخترع جون فليمينغ أول صمام ثنائي، ليتبعه عام 1906 روبرت فون ليبن و لي دو فوريس بالصمام الثلاثي. والتي اعطت مهندسي الاتصالات زخما جديدا كعنصر لتقوية الاشارة.
جون لوجي بيرد اخترع عام 1926 أول جهاز تلفاز ميكانيكي بسيط، وعام 1928 التلفاز الملون. وفي نفس العام تمت أول عملية بث للتلفاز عبر المحيط من لندن إلى نيويورك. وفي العام 1931 قدم مانفريد فون اردينه أو تلفاز كهربائي على أساس اسطوانة أشعة الكاثود.
عام 1942 قدم الألماني كونراد تسوزه أو حاسوب كامل الوضائف تحت مسمى Z3، ليلحقه في العام 1946 جون ايكرت و جون ماوكلي بجهازهما ENIAC اختصارا لـ" الحاسوب والمكامل العددي الإلكتروني" (Electronic Numerical Integrator and Computer) ليعلن رسميا عن زمن الحاسوب، الأمر الذي قدم خدمات كبيرة للمؤسسات العلمية مثل ناسا التي اعتمدت الحواسيب لدعم برنامجها ابولو.
اختراع الترانزيستور على ايدي وليام شوكلي، جون باردين و والتر براتاين عام 1947 في معامل بيل فتح امام الجميع افاق جديدة في تقنية اشباه الموصلات والدوائر المتكاملة وسمح للمصنعين بتصغير حجم الأجهزة بشكل دراماتيكي.
في العام 1958 اخترع جي سي ديفول و جاي انغلبرجر أول روبوت صناعي ليستخدم عام 1960 لاول مرة في مصانع جينرال موتورز.
وفي معامل شركة انتل اخترع مارشيان هوف في العام 1968 أول مايكروبروسيسور بطلب من شركة يابانيه لتصميم جهاز حاسب صغير الحجم ليتم في العام 1969 تصنيع أول مايكروبروسيسور (intel 4004).
قامت فيليبس عام 1978 بتصنيع أول قرص مدمج CD لتخزين البيانات رقميا، وبعد تعاون مع شركة سوني نتج عام 1982 القرص المدمج الصوتي Audio-CD لينتج في النهاية نسق الـ CD-ROM في العام 1985.
نظام التعليم
يتطلب الحصول على شهادة جامعية أو بكالوريوس في الهندسة الكهربائية غالبا 5 سنوات إلا أن هناك جامعات تسمح بنظام 4 سنوات أيضا. تختلف طريقة تخصيص المواد والتدريس باختلاف هذه الجامعات فمثلا هناك جامعات عربية تبدأ بتخصيص السنة الأولى لإعادة التأهيل تحت إسم (تمهيدي) ثم تلحق بسنتين تخصص كهرباء عام وبعدها سنتين تخصص شعبة (قوى, اتصالات والكترونيات أو حاسوب وتحكم مثلا). يتوزع المنهج الدراسي للهندسة الكهربائية بشكل مشابه للسياق الاتي:
- في السنة الأولي من الدراسة يتم تأهيل الطالب الجامعي بنظرة سريعة لكل ما تم دراسته خلال المراحل الدراسية قبل الجامعة. يشمل هذا التركيز على الرياضيات, الفيزياء, الكيمياء بالدرجة الأولى بالإضافة لبعض المواد المتطلبة.
- في السنوات الأولى التخصصية للكهرباء يبدأ التركيز على كل من القوانين الكهربائية وتحليل الدوائر المختلفة والشبكات الكهربائية, مقدمة إلى الالكترونيات, والحاسوب بشكل عام. أثناء دراسة هذه المواد تظل الرياضيات متطلبا أساسيا لدعم الدوال والمعادلات الرياضية وتطبيقاتها بشكل خاص وغالبا ما تكون مشاركة مع تخصصات أخرى كالهندسة الميكانيكية, الهندسة المدنية مثلا.
- في السنوات التخصصية التالية يبدأ توزيع مواد أخرى جديدة ولكن تختلف باختلاف الشعب في قسم الهندسة الكهربائية. فمثلا يبدأ قسم القوى والطاقة بالتشعب أكثر في مجال الضغط العالي, المحولات وشبكات التوزيع بينما يركز قسم الالكترونيات والاتصالات أكثر على أنظمة الاتصالات والتراسل التماثلي والرقمي بنوعية السلكي واللاسلكي, الإذاعة والتلفاز, والأقمار الإصطناعية (الساتل) . من ناحية أخرى يهتم قسم الحاسوب بأنظمة التحكم المنطقي, البرمجة, أنظمة التشغيل, وشبكات الحاسوب. بالمثل قد تتواجد مواد مشاركة بين الشعب المختلفة في قسم الكهرباء مثل التحكم الخطبي و نقل الإشارة.
عند إنهاء الطالب لفترة الدراسة الجامعية بنجاح يحصل على شهادة جامعية بدرجة بكالوريوس ويطلق عليه عمليا (مهندس) ملحقا به التخصص مثل مهندس كهرباء, مهندس إلكترونيات, ..إلخ. بعد ذلك يمكن للمهندس أن يبحث عن وظيفة تتناسب مع مجاله أو أن يبدأ مشاريعة الخاصة أو حتى الاستمرار في الدراسة. في الحالة الأخيرة يبدأ المهندس مرحلة دراسية جديدة تسمى الدراسات العليا, الماستر أو الماجستير وتكون عادة لسنتين. لاتتوقف الهندسة الكهربائية عند هذه المرحلة فقط ولكن يمكن أيضا لمن أكمل دراسة الماجستير وناقشها بنجاح أن يبدأ مرحلة جديدة تسمى الأستاذية أو الدكتوراة ويطلق عليه عند الانتهاء منها بالأستاذ أو البروفسور وهي أعلى مراتب الدراسة. نظرا لإلتباس المصطلح "أستاذ" مع مصطلح مدرس ولأن هذه الكلمة تضع البروفسور في موقف محرج نوعا ما تم ابدالها بكلمة "أستاذ دكتور" أو تختصر إلى "أ.د". يمكن للبروفسور أن يناقش أبحاثا, يدرس في جامعة أو حتى يؤلف كتبا جامعية....[3]
وتنظم مهنة الهندسة الكهربائية في غالبية الدول عن طريق نقابات مهنية للمهندسين أو عن طريق جمعيات لمهندسي الكهرباء. وتشرف هذه الجمعيات على حقوق مهندس الكهرباء وواجباته وشروط ممارسته مهنة الهندسة الكهربائية في دولها. وأشهر هذه الجمعيات هي معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) والهيئة تسمى الهيئة العالمية للإلكترونيات International Electronical Commission (IEC) تقوم بتنظيم المواصفات وطرق الاختبار وقواعد التصميم لجميع الأجهزة والمعدات الكهربائية وتوحيدها في كافة أنحاء العالم.
التطورات الحديثة
تدريب المهندسين
الأدوات والعمل
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
إنظر أيضا
- Analog signal processing
- Electronic design automation
- IEEE
- Institution of Engineering and Technology (IET)
- International Electrotechnical Commission (IEC)
- List of electrical engineering topics (alphabetical)
- List of electrical engineering topics (thematic)
- List of electrical engineers
- List of Russian electrical engineers
- Timeline of electrical and electronic engineering
- Occupations in Electrical/Electronics Engineering
هوامش
Note I - There were around 300,000 people (اعتبارا من 2006[تحديث]) working as electrical engineers in the US; in Australia, there were around 17,000 (اعتبارا من 2008[تحديث]) and in Canada, there were around 37,000 (اعتبارا من 2007[تحديث]), constituting about 0.2% of the labour force in each of the three countries. Australia and Canada reported that 96% and 88% of their electrical engineers respectively are male.[4]
المصادر
- ^ مالفرق بين الهندسة الكهربائية مالفرق بين الهندسة الكهربائية والإلكترونيةأسئلة وأجوبة.دراسة الهندسة الكهربائية.أسترجع في 4 فبراير,2005
- ^ كتاب الأوم,جورج سيمون أوم الطبعة 11, 1911
- ^ الهندسة الكهربائية, الموسوعة العربية
- ^ "Electrical Engineers". Bureau of Labor Statistics. Retrieved 13 March 2009. See also: "Work Experience of the Population in 2006". Bureau of Labor Statistics. Retrieved 20 June 2008. and "Electrical and Electronics Engineers". Australian Careers. Retrieved 13 March 2009. and "Electrical and Electronics Engineers". Canadian jobs service. Retrieved 13 March 2009.
وصلات خارجية
- IEEE Global History Network A wiki-based site with many resources about the history of IEEE, its members, their professions and electrical and informational technologies and sciences.
- International Electrotechnical Commission (IEC)
- MIT OpenCourseWare In-depth look at Electrical Engineering with online courses featuring video lectures.
{{Link FA|sh}