الهندسة الكهربائية

هندسة الكهرباء

 (بالإنكليزية: Electrical engineering) أحيانا تسمي هندسة الكهرباء والإلكترونيات هي تخصص هندسي يهتم بدراسة وتطبيقات علوم الكهرباء والإلكترونيات والمجالات الكهرومغناطيسية. أصبح هذا المجال معروفا في أواخر القرن التاسع عشر وذلك بعد انتشار التيليغراف ومحطات إمداد الطاقة. والآن يغطي هذا المجال عدد من المواضيع الفرعية والتي تتضمن الطاقة والإلكترونيات ونظم التحكم الآلى ومعالجة الإشارات والاتصالات اللاسلكية.

ومن الممكن أن نقول أن الهندسة الكهربائية قد تتضمن أيضا هندسة الإلكترونيات أو لا تتضمنها. ويمكن التفريق بينهما حيث تهتم هندسة الكهرباء بالأمور المتعلقة بنظم الكهرباء عالية الجهد مثل نقل الطاقة والتحكم في المحركات، بينما تتعامل هندسة الإلكترونيات مع دراسة النظم الإلكترونية ذات المقاييس المنخفضة(تيار منخفض –جهد منخفض) ويتضمن ذلك علوم الحاسبات والدوائر المتكاملة.

وتتناول الهندسة الكهربائية دراسة وتصميم العديد من النظم الكهربائية والإلكترونية المختلفة، مثل الدوائر الكهربائية والمولدات,المحركات,المحولات،المواد المغناطيسية وغيرها من الأجهزة الكهرومغناطيسية والكهروميكانيكية.

 

 

 

 

 

المهندسون الكهربائيون يصمّمون أنظمة كهربائية معقّدة

ودوائر إلكترونية.

 

 

 

تاريخ وأعلام الهندسة الكهربائية

توماس أديسون

ظهر الاهتمام العلمى بالكهرباء منذ بدايات القرن السابع عشر على الأقل. فيعتقد أن أول مهندس كهرباء هو وليام جلبرت الذي صمم آلة لاكتشاف الأجسام ذات الشحنات الكهربية الساكنة. ويعتبر هو من فرَّق بين المغناطيسية والكهربية الساكنة، كما يعتقد بأنه أول من أنشأ مصطلح الكهرباء. وفي بادئ الأمر كانت كل الاكتشافات والاختراعات تتعلق بالشحنة. وبدأ فصل الهندسة الكهربائية عن الفيزياء في زمن توماس اديسون وفيرنر فون سيمنس. وفي عام 1752 اخترع بينيامين فرانكلين موصلة الصواعق ونشر بين 1751 و1753 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

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.^[1]

فيليب رايس اخترع عام 1860 الهاتف في معهد جارنيير في فريدريكسدورف إلا أن 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 وميكايل فون دوليفو-دوبروولسكي على تطوير التيار المتردد والذي يعتبر أساس الطاقة إلى يومنا هذا.

 

نيكولا تسلا

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 أول 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 ولي دو فوريس بالصمام الثلاثي. والتي اعطت مهندسي الاتصالات زخما جديدا كعنصر لتقوية الإشارة.

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 وجون 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 أبولو.

اختراع الترانزيستور على ايدي وليام شوكلي، جون باردين ووالتر 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 وجاي انغلبرجر أول روبوت صناعي ليستخدم عام 1960 لاول مرة في مصانع جينرال موتورز.

وفي معامل شركة انتل الأمريكية اخترع مارشيان هوف في العام 1968 أول معالج دقيق بطلب من شركة يابانية لتصميم جهاز حاسب صغير الحجم ليتم في العام 1969 تصنيع أول معالج دقيق تحت اسم (intel 4004).

قامت شركة 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. تختلف طريقة تخصيص المواد والتدريس باختلاف هذه الجامعات فمثلا هناك جامعات عربية تبدأ بتخصيص السنة الأولى لإعادة التأهيل تحت اسم (تمهيدي) ثم تلحق بسنتين تخصص كهرباء عام وبعدها سنتين تخصص شعبة (قوى, اتصالات وإلكترونيات 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 الإلكترونيات, 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 الإلكترونيات والاتصالات أكثر على أنظمة الاتصالات والتراسل التماثلي والرقمي بنوعية السلكي واللاسلكي, الإذاعة والتلفاز, والأقمار الاصطناعية (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 ونقل 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 لالتباس 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.

 

الأدوات والعمل في هذا العلم

من نظام تحديد المواقع العالمي لتوليد الطاقة الكهربائية، ساهم مهندسو الكهرباء في تطوير مجموعة واسعة من التكنولوجيات. حيث انهم يقومون بتصميم وتطوير واختبار والاشراف على النظم الكهربية والأجهزة الإلكترونية. على سبيل المثال ،فهم يمكنه العمل على تصميم أنظمة الاتصالات السلكية واللاسلكية، وتشغيل محطات توليد الطاقة الكهربائية، و تزويد الإضاءة والأسلاك للمبانى، وتصميم الأجهزة المنزلية أو التحكم الكهربائي في الآلات الصناعية.^[2]

الاتصالات باقمار الفضاء هي واحدة من العديد من المشاريع التي يمكن لمهندس الكهرباء ان يعمل بها

ويعتبر كلا من الفيزياء والكيمياء من العلوم الاساسية الهامة في هذا المجال حيث أنها تساعد على تعلم الوصف الكيفي والكمى لكيفية عمل هذه الأنظمة. وغالبا ما يتم انجاز الأعمال الهندسية عن طريق الكبيوتر ومن الشائع استخدام برامج تصميم بمساعدة الكبيوتر عند تصميم الأنظمة الإلكترونية. ومع ذلك، فإن القدرة على رسم الأفكار لا تزال لا تقدر بثمن من أجل التواصل مع الآخرين بسرعة.

على الرغم من أن معظم المهندسين الكهربائيين يمكنهم فهم نظرية الدوائر الأساسية (وهي العلاقة بين عناصر مثل المقاومات والمكثفات، الثنائيات والترانزستورات وأدواة الحث في الدائرة)، إلا أن النظريات التي يستخدمها المهندسون عموما تعتمد على العمل الذي يقومون به. على سبيل المثال، ميكانيكاالكم وفيزياء الحالة الصلبة قد تكون هامة للمهندسين الذين يعملون علىVLSI(تصميم الدوائر المتكاملة) ولكن لا تمت بصلة إلى المهندسين الذين يعملون مع الأنظمة الكهربائية العيانية. وكذلك قد تكون غير مناسبة لشخص يعمل على تصميم نظم الاتصالات السلكية واللاسلكية التي تستخدم مكونات أخرى. ولعل أهم المهارات الفنية لمهندسي الكهرباء والتي يتم التركيز عليها في المناهج الجامعية، المهارات العددية، ومحو الأمية الحاسوبية والقدرة على فهم اللغة والمفاهيم الفنية التي تتصل بالهندسة الكهربائية.

و بالنسبة للكثير من المهندسين فإن العمل الفني يمثل نسبة ضئيلة من العمل الذي يقومون به. حيث انهم يقضون معظم الوقت في تنفيذ مهام مثل مناقشة المقترحات مع العملاء، وإعداد الميزانيةوتحديد الجداول الزمنية للمشروع. ^[3] يعمل العديد من كبار المهندسين في إدارة فريق متكامل من الفنيين اوالمهندسين وغيرهم ولهذا فان اكتساب مهارات إدارة المشروع شيء هام جدا. معظم المشاريع الهندسية تشتمل على شكل من اشكال التوثيق ولهذا فان اكتساب مهارات الاتصال الكتابي هام جدا.

وتختلف بيئة العمل بالنسبة لمهندسي الكهرباء باختلاف العمل الذي يقومون به. فيمكنك ان تجد مهندسي الكهرباء في مختبر أحد المصانع أو مكتب أحد الشركات الاستشارية أو أحد المواقع في منجم. خلال حياتهم العملية، قد تجد مهندسي الكهرباء يقومون بالإشراف على مجموعة كبيرة من الأفراد بما في ذلك العلماء، والكهربائين، ومبرمجي الكمبيوتر ومهندسين أخرىن.

تخصصات هندسة الكهرباء

التقسيم الكلاسيكي للهندسة الكهربائية كان هندسة تيار الجهد العالي والتي تعرف اليوم بهندسة الطاقة وهندسة 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 والالكترونيات. 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.^[4]