مهندسي برق

مهندسي برق (به انگليسي: Electrical engineering) زيرمجموعه‌اي از مهندسي است كه به مطالعه و كاربردهاي مرتبط با الكتريسيته، الكترومغناطيس و الكترونيك مي‌پردازد. مي‌توان مهندسي برق را به دو قسمت عمده تقسيم كرد: بررسي و طراحي سيستم‌هاي انتقال و تبديل انرژي الكتريكي؛ يا بررسي و طراحي سيستم‌هاي الكترونيكي براي پردازش و انتقال اطلاعات، نظير رايانه‌ها، سامانه‌هاي مخابراتي، مدارهاي مجتمع، رادارها و نظاير آن. به بيان ديگر، مهندسان برق از الكتريسيته يا براي انتقال انرژي يا براي پردازش اطلاعات استفاده مي‌كنند.^[۱]

فراگيرتر شدن استفاده از انرژي الكتريكي و افزايش نياز به انتقال و نيز پردازش سريع‌تر اطلاعات، مهندسي برق را به يكي از مهم‌ترين و پر طرفدارترين زمينه‌هاي مهندسي و صنعت تبديل كرده‌است.

تاريخچه

اين بخش مقاله نيازمند گسترش است.

الكتريسيته يكي از موضوعات جذاب علمي از اوايل قرن هفدهم بوده‌است. يكي از اولين مهندسين برق احتمالاً ويليام گيلبرت بوده‌است كه اولين وسيلهٔ اندازه‌گيري الكتريسيته يا الكتروسكوپ را طراحي كرد و آن را ورسوريوم(versorium)ناميد. همچنين او اولين كسي بود كه به‌طور واضح مغناطيس و الكتريسيتهٔ ساكن را تميز داد.

تا پيش از حدود دههٔ ۱۸۸۰، مباحث مربوط به الكتريسيته و كاربردهاي آن، زيرمجموعه‌اي از فيزيك تلقي مي‌شد. اين رشته اولين بار در نيمهٔ دوم قرن نوزده ميلادي، بعد از تجاري سازي تلگراف، تلفن و توزيع برق و استفاده‌هاي آن به عنوان يك شغلِ شناخته شده مطرح شد. از حدود سال ۱۸۸۵ برخي دانشگاه‌ها و موسسات فناوري مانند دانشگاه كرنل يا موسسهٔ فناوري ماساچوست، رشتهٔ كارشناسي مهندسي برق را ايجاد نمودند. دانشگاه فني دارمشتات اولين دانشگاهي بود كه در سال ۱۸۸۲ دانشكدهٔ مهندسي برق را ايجاد كرد و پس از آن دانشگاه كرنل و ديگر دانشگاه‌ها اين رشته را ارائه نمودند.^[۲]

دانشمندان معروف

• مايكل فارادي
• نيكولا تسلا
• هاينريش هرتز
• آندره ماري آمپر
• گوستاو رابرت كيرشهوف
• الساندرو جوزپه ولتا
• گئورگ زيمون اهم
• توماس اديسون (بيشتر؛ كارآفرين با پشتكار)^[۳]

رشتهٔ مهندسي برق در ايران

گرايش‌هاي مقطع كارشناسي

رشته مهندسي برق در مقطع كارشناسي داراي ۵ گرايش زير است. در برخي دانشگاه‌ها، گرايش دانشجو پس از گذراندن ۳ تا ۵ ترم مشخص مي‌شود.

• مهندسي قدرت
• مهندسي الكترونيك
• مهندسي مخابرات
• مهندسي كنترل
• مهندسي پزشكي (بيوالكتريك ـ بيوانفورماتيك در برخي دانشگاه‌ها)

در دانشگاه‌هاي صنعتي شريف، تهران و صنعتي اميركبير و فردوسي مشهد گرايش سيستم‌هاي ديجيتال (كه در تقسيم‌بندي پنج‌گانه، زيرمجموعه‌اي از گرايش الكترونيك محسوب مي‌شود) به ۵ گرايش فوق اضافه شده‌است در پرديس فني و مهندسي شهيد عباسپور، علاوه‌بر گرايش قدرت، گرايش شبكه‌هاي انتقال و توزيع ايجادشده‌است كه تركيبي از گرايش قدرت و مباحث مربوط به شبكه سراسري برق و مديريت توزيع و مصرف مي‌باشد.

مباحث اصلي

به‌طور كلي، مباحث اصلي مهندسي برق (عمدتاً در دورهٔ كارشناسي) موارد زير هستند:

• معادلات ديفرانسيل، جبر خطي و تحليل فوريه
• پردازش سيگنال (پيوسته و گسسته‌زمان)
• مدارها و سيستم‌هاي الكترونيكي آنالوگ
• مدارها و سيستم‌هاي الكترونيكي ديجيتال، ريزپردازنده‌ها
• الكترومغناطيس، امواج الكترومغناطيسي و آنتن‌ها
• ماشين‌هاي الكتريكي (موتورها، ژنراتورها و ترانسفورمرها)
• سيستم‌هاي انتقال انرژي الكتريكي
• سيستم‌هاي مخابراتي و انتقال اطلاعات (آنالوگ و ديجيتال)
• سيستم‌هاي كنترل و رباتيك

مدارهاي الكتريكي ۱و۲، سيگنال‌ها و سيستم‌ها، الكترونيك ۱و۲، مدارهاي منطقي، الكترومغناطيس، معادلات ديفرانسيل، رياضيات مهندسي، آمار و احتمالات، ماشين‌هاي الكتريكي ۱و۲، بررسي سيستم‌هاي قدرت ۱ برخي از دروسي است كه دانشجويان تمام گرايش‌هاي مهندسي برق در مقطع كارشناسي موظف به گذراندن آن هستند.

گرايش قدرت

مهندسي قدرت با ٬توليد ٬انتقال و توزيع انرژي الكتريكي و ساخت برخي دستگاه‌هاي مربوط به آن نظير ترانسفورمرها، ژنراتورهاي الكتريكي، موتورهاي الكتريكي و تجهيزات الكترونيكي مورد نياز سروكار دارد.

اين گرايش، به عنوان قديمي‌ترين گرايش در رشته مهندسي برق، خود به چندين زيرگرايش تقسيم مي‌شود.

در مبحث انتقال و توزيع، روش‌هاي مختلف انتقال برق اعم از كابل‌هاي هوايي و زيرزميني، اصول مهندسي فشار قوي و همچنين مديريت شبكه توزيع و توزيع بهينه را مطالعه مي‌كنند. براي مثال ٬مي‌توان با بهينه‌سازي شبكه‌هاي برق‌رساني، تا حد زيادي از تلفات در شبكه جلوگيري نمود كه اين‌كار موضوع اين گرايش از مهندسي قدرت است.

مبحث حفاظت نيز به بررسي انواع وسايل و تجهيزات حفاظتي‌اي مي‌پردازد كه در مراحل مختلف توليد، توزيع، انتقال و مصرف انرژي، و تأسيسات الكتريكي و نيز انسان‌ها را در برابر حوادث مختلف محافظت مي‌كنند.

گرايش ماشين‌هاي الكتريكي شامل ژنراتورها، ترانسفورمرها و موتورهاي الكتريكي مي‌شود كه اين شاخه از زمينه‌هاي مهم صنعتي و پژوهشي گرايش قدرت است.

گرايش الكترونيك قدرت به طراحي و بهره‌برداري از تجهيزات الكترونيكي ويژه سيستم‌هاي قدرت مي‌پردازد. اين تجهيزات بايد با ولتاژ و جريان‌هاي بالا سازگار باشند. ماشين‌هاي الكتريكي ۳، بررسي سيستم‌هاي قدرت ۲، حفاظت سيستم، رله و حفاظت، اصول مهندسي عايق و فشار قوي، توليد و نيروگاه، طراحي و توسعه شبكه و مديريت توزيع از اصلي‌ترين دروس اين گرايش مي‌باشند.

گرايش الكترونيك

الكترونيك علمي است كه به بررسي حركت الكترون در خلاء در مواد رسانا يا نيمه رسانا و اثرات و كاربردهاي آن مي‌پردازد. با توجه به اين تعريف، مهندس الكترونيك در زمينه ساخت قطعات الكترونيك و كاربرد آن در مدارها، فعاليت مي‌كند. البته متأسفانه به علت عدم توانايي رقابت در بازار با برندهاي مشهور موجود، در ايران در سطح وسيع، توليد قطعات الكترونيكي صورت نمي‌گيرد.

به عبارت ديگر، زمينه فعاليت مهندسي الكترونيك را مي‌توان به دو شاخه اصلي «ساخت قطعات و كاربرد مداري قطعه» و «طراحي مدارهاي الكتريكي» تقسيم كرد.

تكنيك پالس، الكترونيك ۳، ميكروپروسسور، معماري كامپيوتر، مدارهاي مخابراتي، فيزيك مدرن و فيزيك الكترونيك از جمله دروس اصلي گرايش الكترونيك محسوب مي‌شوند.

گرايش مخابرات

هدف از مخابرات ارسال و انتقال اطلاعات از نقطه‌اي به نقطه ديگر است كه اين اطلاعات مي‌تواند صوت، تصوير يا داده‌هاي كامپيوتري باشد.

مخابرات، گرايشي از مهندسي برق است كه در حوزه ارسال و دريافت اطلاعات از روش‌هاي موجي و مخابراتي فعاليت مي‌كند. مهندسي مخابرات با ممكن ساختن ايجاد ارتباط پرسرعت ٬امن و آسان بين دو يا چند كاربر در مكان‌هاي مختلف، زندگي انسان را متحول ساخته‌است. از آثار گسترش مهندسي مخابرات مي‌توان به راديو و تلويزيون، اينترنت و ماهواره‌هاي ارتباطي يا تحقيقاتي (مخابرات فضايي) اشاره كرد.

مهندسي مخابرات از دو قسمت عمدهٔ مخابرات ميدان و سيستم‌هاي مخابراتي تشكيل مي‌شود. البته با توجه به گستردگي گرايش سيستم امروزه در برخي از دانشگاه‌ها مانند دانشگاه صنعتي شريف، دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتي اصفهان گرايش‌هاي رمز و شبكه از گرايش سيستم در مقطع كارشناسي ارشد جدا شده‌است. دروس اصلي گرايش مخابرات در مقطع كارشناسي عبارت است از: ميدان و امواج، مايكروويو و آنتن، فيلتر و سنتز مدار (مرتبط يا مخابرات ميدان) مخابرات ديجيتال و اصول پردازش سيگنال‌هاي گسسته در زمان (مرتبط با گرايش سيستم‌هاي مخابراتي).

گرايش مخابرات ميدان

در مبحث ميدان، مهندسان با ارسال ٬انتشار و دريافت امواج الكترومغناطيسي از طريق يك كانال مخابراتي (كه مي‌تواند فضاي آزاد در مخابرات بي‌سيم يا يك فيبر نوري در مخابرات فيبر نوري باشد) و فرستنده و گيرنده (كه مي‌تواند يك آنتن ماهواره در مخابرات ماهواره‌اي يا يك مدار الكترونيكي در مخابرات فيبر نوري باشد) سروكار دارند. به عبارت ديگر، مي‌توان گفت مهندسين ميدان به‌طور عمده با جنبهٔ فيزيكي چگونگي انتقال امواج حاوي اطلاعات، از نقطه‌اي به نقطهٔ ديگر روبه‌رو هستند. بدين‌ترتيب مهندسي مخابرات ميدان، رابطه زيادي با فيزيك كاربردي (در قسمت الكترومغناطيس) دارد..

برخي از دروس گرايش مخابرات ميدان در مقطع كارشناسي ارشد عبارت است از الكترومغناطيس پيشرفته، رياضيات مهندسي پيشرفته، اجزاء نيمه هادي مايكروويو، طراحي مدارات فعال مايكروويو، فيبر نوري، تئوري پراكندگي امواج و روش‌هاي عددي در الكترومغناطيس.

گرايش سيستم‌هاي مخابراتي

حوزه فعاليت در گرايش سيستم بسيار گسترده‌است و شامل مباحث متنوعي همچون پردازش سيگنال، مخابرات بي‌سيم، شبكه‌هاي مخابراتي و موبايل، شبكه‌هاي كامپيوتري، تئوري اطلاعات، مخابرات نوري و امنيت است. به‌طور كلي محققان گرايش سيستم، سعي در مقاوم‌سازي سيستم در برابر نويز، انتقال مؤثر سيگنال و در نهايت آشكارسازي يك سيگنال مخابراتي دارند. اما در اين فرايند معمولاً محققين گرايش سيستم به ساختار فيزيكي سيستم توجه چنداني ندارند و يك سيستم مخابراتي را همچون يك جعبه سياه در نظر مي‌گيرند و تمركز اصلي را بر بهبود پارامتريك سيگنال از ديدگاه رياضياتي مي گدارند. اين گرايش نزديكي بسيار زيادي با مباحث رياضيات كاربردي به خصوص آناليز رياضي و فرآيندهاي تصادفي دارد.

دروس گرايش سيستم‌هاي مخابراتي در مقطع كارشناسي ارشد بسيار متنوع است. برخي از اين دروس عبارتند از: فرايند تصادفي، مخابرات پيشرفته، تئوري اطلاعات، تئوري كدينگ، تئوري تخمين و آشكارسازي، تئوري صف، اصول سيستم‌هاي رادار، مخابرات ماهواره‌اي، پردازش گفتار، پردازش تصوير و ويدئو، پردازش زمان - فركانس، مخابرات نوري، فيبر نوري ، انتقال داده و شبكه‌هاي كامپيوتري، شبكه مخابرات داده.

گرايش مخابرات رمز

با توجه به گسترش حوزه فعاليت محققين گرايش مخابرات سيستم و به منظور تمركز بر مباحث امنيت گرايش رمز براي اولين بار در ايران در سال ۱۳۷۸ در پژوهشكدهٔ الكترونيك دانشگاه شريف وابسته به دانشكدهٔ برق اين دانشگاه، پذيرش دانشجو در مقطع كارشناسي ارشد را آغاز كرد. از اين رو اين گرايش نزديكي بسياري با گرايش مخابرات سيستم دارد. در حال حاضر علاوه بر دانشگاه صنعتي شريف، دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتي اصفهان و دانشگاه صنعتي مالك اشتر نيز اين گرايش را در مقطع كارشناسي ارشد مخابرات اضافه كرده‌اند. البته گرايش مخابرات رمز در ايران داراي مقطع دكترا نيست و دانشجويان علاقه‌مند فعاليت‌هاي پژوهشي خود را در اين مقطع در زمينه‌هاي مرتبط تحت عنوان گرايش مخابرات سيستم انجام خواهند داد. عمده فعاليت محققين مخابرات رمز در حوزه ارسال و دريافت امن اطلاعات مي‌باشد كه به‌طور كلي شامل امنيت در پردازش سيگنال، امنيت در شبكه‌هاي كامپيوتري، امنيت در الگوريتم‌هاي رمزنگاري و امنيت در انتقال اطلاعات مي‌باشد. مباحثي كه در حوزه رمزشناسي و الگوريتم‌ها قرار مي‌گيرند، عمدتاً نيازمند دانش قوي رياضياتي در نظريه اعداد و جبر مجرد مي‌باشد و معمولاً دروس رياضيات رمزنگاري و اصول رمز نگاري به منظور آشنايي دانشجويان با مفاهيم مرتبط در نظريه اعداد و جبر مجرد تدريس مي‌شوند. برخي از اين مفاهيم عبارت اند از: نظريه هم نهشتي‌ها، مسئله تجزيه اعداد، مسئله لگاريتم گسسته، معادلات هم نهشتي، نظريه گروه حلقه و ميدان، ميدان‌هاي برداري و خم‌هاي بيضوي. مباحثي كه مرتبط با امنيت اطلاعات هستند به دليل استفاده از تئوري اطلاعات، عمدتاً نيازمند ديدگاهي قوي در حوزهٔ آمار و فرايندهاي تصادفي است.

دروس اصلي اين گرايش در دانشگاه صنعتي شريف شامل رياضيات رمزنگاري، اصول رمزنگاري، رمزنگاري پيشرفته، تئوري اطلاعات و كدينگ، مخابرات پيشرفته و فرايندهاي تصادفي است. ضمناً دانشجويان مي‌توانند دروسي مانند نهان سازي اطلاعات، تئوري اطلاعات شبكه، امنيت در شبكه‌هاي كامپيوتري و… را به عنوان دروس اختياري اخذ كنند.

گرايش كنترل

اگر بخواهيم يك تعريف كلي از كنترل ارائه دهيم، مي‌توانيم بگوييم كه هدف اين علم، كنترل متغيرهاي اساسي سيستم (كه متغيرهاي خروجي مي‌تواند تنها بخشي از اين متغيرها باشد) بر مبناي برخي ملاكهاي مطلوب مي‌باشد. اين ملاكها مي‌تواند سرعت يك موشك، دماي يك اتاق، زاويهٔ چرخش بازوي ربات و… باشد. به عنوان يك مثال ساده مي‌توان كنترل زمان اوج‌گيري يك هواپيماي جنگنده را در نظر گرفت. در اين مثال، زاويه پره‌هاي هواپيما، ميزان سوخت تزريقي و ساير متغيرهاي تأثيرگذار بايستي با روش‌هاي رياضي محاسبه و سيستم كنترل‌كننده به دقت طراحي شود تا بتوان زمان عكس‌العمل سيستم را كاهش داد و آن را در برابر اثرات نويز محيط (مانند وزش باد يا …) مقاوم كرد.

كنترل، در پيشرفت علوم ديگر نقش ارزنده‌اي را ايفا مي‌كند. به‌طور كلي مي‌توان گفت مهندسي كنترل حلقه اتصال ميان مهندسي برق و رشته‌هاي ديگر مي‌باشد. امروزه مهندسي كنترل به صورت بخش اصلي و مهمي از فرايندهاي صنعتي و توليدي درآمده‌است.

به كمك اين علم مي‌توان به عملكرد بهينه سيستم‌هاي پويا، بهبود كيفيت و ارزان‌تر شدن فراورده‌هاي توليدي، گسترش ميزان توليد، ماشيني كردن بسياري از عمليات تكراري و خسته‌كننده دستي و نظاير آن دست يافت. هدف سيستم كنترل‌كننده عبارت است از كنترل خروجي‌ها (مانند زاويهٔ حملهٔ موشك هدايت‌شونده) به روش معين به كمك ورودي‌ها (مانند سيگنال دريافتي از رادار موشك) از طريق اجزاي سيستم كنترل كه مي‌تواند شامل اجزاي الكتريكي، مكانيكي و شيميايي به تناسب نوع سيستم كنترل باشد.

يكي از مفاهيم پركاربرد در اين رشته مفهوم پسخورد (فيدبك) مي‌باشد. پسخورد در واقع اندازه‌گيري متغيرهاي خروجي و استفاده از اين متغيرهاي اندازه‌گيري شده براي اصلاح متغير ورودي سيستم مي‌باشد. براي مثال، در يك سيستم سرمايشي، يك سنسور، كه در واقع يك دماسنج است، دماي اتاق را اندازه‌گيري مي‌كند تا سيستم بتواند از دما مطلع شده و از كاهش يا افزايش بيش از اندازه دما جلوگيري كند. با استفاده از سيستم‌هاي داراي پسخورد مي‌توان بسياري از فرايندهاي صنعتي را به صورت خودكار كنترل كرد. اتوماسيون صنعتي بخشي از رشته كنترل مي‌باشد كه بر پايه سيستم‌هاي فيدبك‌دار توانسته‌است صنعت مدرني را پايه‌گذاري كند.

گفتني است كه گرايش كنترل داراي زير بخش‌هاي متنوعي مانند كنترل خطي، كنترل غيرخطي،كنترل مقاوم،كنترل تطبيقي،كنترل ديجيتال،كنترل فازي و غيره‌است.

از دروس اصلي اين گرايش مهندسي برق مي‌توان به كنترل ديجيتال و كنترل غيرخطي، كنترل مدرن، كنترل صنعتي، ابزار دقيق، اصول ميكروكامپيوتر، ترموديناميك، مباني تحقيق در عمليات، سيستم‌هاي كنترل پيشرفته و سيستمهاي كنترل خطي اشاره كرد.

وضعيت تحصيل در مقاطع بالاتر از كارشناسي

فارغ‌التحصيل در مقطع كارشناسي برق كه مدرك خود را در يكي از چهار گرايش الكترونيك، مخابرات، قدرت و كنترل مي‌گيرد، مي‌تواند در يكي از اين گرايشها (اختياري) يا رشته‌اي كه برق زير مجموعه‌اي براي آن تعريف شده، ادامه تحصيل نمايد. اين رشته به صورت: مهندسي برق- الكترونيك (سه گرايش طراحي آنالوگ، مدارهاي ديجيتال، ادوات ميكرو و نانو الكترونيك)، برق- قدرت، برق- مخابرات (شامل گرايش‌هاي: ميدان و مايكروويو نوري، سيستم، رمز، شبكه) برق- كنترل، مهندسي پزشكي (گرايش بيوالكتريك)، مهندسي مكاترونيك (شامل گرايش‌هاي:انسان جنبي ماشين،كنترل، رباتيك) مهندسي هسته‌اي (دو گرايش مهندسي رآكتور و مهندسي پرتو پزشكي، مهندسي كامپيوتر (معماري كامپيوتر، هوش مصنوعي و رباتيك) است. براي تحصيل در مقطع دكتراي تخصصي، مي‌توان، در هر يك از زيرشاخه‌هاي تخصصي‌تر گرايشهاي ياد شده ميزان مورد نياز واحدها را اخذ كرد و رساله دكتري را در همان موضوع خاص ارائه داد. مسلم است اين زير شاخه‌ها، گرايشهاي تخصصي تر اين چهار گرايش است. رشته برق به دليل كاربردي بودن آن در بسياري از علوم مهندسي ديگر، براي فارغ التحصيلان امكان تحصيل در بسياري گرايشها و دانشها را فراهم مي‌كند.

نويسنده : مهندس محمدحسن صعيدي