مهندسي برق يك رشته مهندسي است كه با مطالعه ، طراحي و استفاده از تجهيزات ، دستگاه ها و سيستم هايي كه از برق ، الكترونيك و مغناطيس استفاده مي كنند ، استفاده مي شود. اين امر در نيمه دوم قرن نوزدهم پس از تجاري سازي تلگراف الكتريكي ، تلفن و توليد ، توزيع و استفاده از برق به عنوان شغل قابل شناسايي به وجود آمد.
مهندسي برق اكنون به رشته هاي گسترده اي از جمله مهندسي كامپيوتر ، مهندسي سيستم ، مهندسي نيرو ، ارتباطات از راه دور ، مهندسي فركانس راديويي ، پردازش سيگنال ، ابزار دقيق و الكترونيك تقسيم شده است. بسياري از اين رشته ها با شاخه هاي ديگر مهندسي همپوشاني دارند ، و شامل تعداد زيادي از تخصص ها از جمله مهندسي سخت افزار ، الكترونيك قدرت ، الكترومغناطيسي و امواج ، مهندسي مايكروويو ، فناوري نانو ، الكتروشيمي ، انرژي هاي تجديد پذير ، مكاترونيك و علوم مواد الكتريكي است. [a]
مهندسين برق به طور معمول داراي مدرك مهندسي برق يا مهندسي الكترونيك هستند. مهندسان تمرين ممكن است داراي گواهينامه حرفه اي باشند و اعضاي يك نهاد حرفه اي يا يك سازمان استاندارد بين المللي باشند. اين موارد شامل كميسيون بين المللي الكتروتكنيك (IEC) ، انستيتوي مهندسان برق و الكترونيك (IEEE) و موسسه مهندسي و فناوري (IET) (IEE سابق) است.
مهندسان برق در طيف وسيعي از صنايع كار مي كنند و مهارت هاي مورد نياز نيز متغير است. اين موارد از تئوري مدار گرفته تا مهارت هاي مديريتي يك مدير پروژه را شامل مي شود. ابزارها و تجهيزات مورد نياز يك مهندس فردي نيز به همين ترتيب متغير هستند ، از يك ولت متر ساده گرفته تا نرم افزار پيچيده طراحي و ساخت.
تاريخ
مقاله اصلي: تاريخچه مهندسي برق
برق حداقل از اوايل قرن هفدهم مورد علاقه علمي بوده است. ويليام گيلبرت دانشمند برجسته اوليه برق بود و اولين كسي بود كه بين مغناطيس و الكتريسيته ساكن تمايز مشخصي قائل شد. وي با ايجاد اصطلاح "برق" اعتبار يافته است. [2] وي همچنين ورسوريوم را طراحي كرد: وسيله اي كه وجود اجسام داراي بار ثابت را تشخيص مي دهد. در سال 1762 پروفسور سوئدي يوهان ويلكا دستگاهي را اختراع كرد كه بعداً الكتروفور ناميده شد و يك بار الكتريكي ساكن توليد كرد. تا سال 1800 الساندرو ولتا شمع ولتايي را توليد كرد ، كه پيشرو باتري الكتريكي است.
قرن 19
اكتشافات مايكل فارادي بنيان فناوري موتور الكتريكي را تشكيل داد
در قرن نوزدهم ، تحقيقات در مورد اين موضوع شدت گرفت. از پيشرفتهاي قابل توجه در اين قرن مي توان به كارهاي هانس كريستين ارستت اشاره كرد كه در سال 1820 كشف كرد جريان الكتريكي يك ميدان مغناطيسي ايجاد مي كند كه يك سوزن قطب نما را منحرف مي كند ، ويليام استورجون كه در سال 1825 آهنرباي الكتريكي را اختراع كرد ، جوزف هنري و ادوارد ديوي كه اختراع كردند رله الكتريكي در سال 1835 ، از گئورگ اوم ، كه در سال 1827 رابطه بين جريان الكتريكي و اختلاف پتانسيل در يك رسانا را اندازه گيري كرد ، [3] از مايكل فارادي (كاشف القاي الكترومغناطيسي در سال 1831) و جيمز كلرك مكسول ، كه در سال 1873 نظريه واحدي از الكتريسيته و مغناطيس را در رساله "الكتريسيته و مغناطيس" منتشر كرد. [4]
در سال 1782 ژرژ-لوئيس له سيج احتمالاً اولين شكل تلگرافي الكتريكي جهان را با استفاده از 24 سيم مختلف ، براي هر حرف الفبا ، در برلين ارائه داد. اين تلگراف دو اتاق را به هم متصل مي كند. اين يك تلگراف الكترواستاتيك بود كه برگ طلا را از طريق هدايت الكتريكي منتقل مي كرد.
در سال 1795 ، Francisco Salva Campillo يك سيستم تلگراف الكترواستاتيك را پيشنهاد داد. بين سالهاي 1803–1804 ، وي در زمينه تلگرافي الكتريكي كار كرد و در سال 1804 ، گزارش خود را در آكادمي سلطنتي علوم طبيعي و هنر بارسلونا ارائه داد. سيستم تلگراف الكتروليت سالوا بسيار ابتكاري بود اگرچه بسيار تحت تأثير و مبتني بر دو كشف جديد در اروپا در سال 1800 بود - باتري الكتريكي الساندرو ولتا براي توليد جريان الكتريكي و الكتروليز ويليام نيكلسون و آنتوني كارلايل آب. [5] تلگرافي الكتريكي را مي توان اولين نمونه مهندسي برق دانست. مهندسي برق در اواخر قرن نوزدهم به يك حرفه تبديل شد. پزشكان يك شبكه تلگراف الكتريكي جهاني ايجاد كرده بودند و اولين موسسات حرفه اي مهندسي برق در انگلستان و ايالات متحده آمريكا براي حمايت از اين رشته جديد تاسيس شدند. فرانسيس رونالدز در سال 1816 يك سيستم تلگراف الكتريكي ايجاد كرد و ديدگاه خود را در مورد چگونگي تبديل جهان توسط برق مستند كرد. [6] [7] بيش از 50 سال بعد ، او به انجمن جديد مهندسان تلگراف پيوست (به زودي به موسسه مهندسان برق تغيير نام داد) و در آنجا اعضاي ديگر او را به عنوان اولين گروه خود در نظر گرفتند. [8] در اواخر قرن نوزدهم ، جهان براي هميشه با ارتباطات سريعي كه با توسعه مهندسي خطوط زميني ، كابل هاي زيردريايي و از حدود 1890 تلگرافي بي سيم امكان پذير شده بود ، تغيير كرده است.
كاربردهاي عملي و پيشرفت در چنين زمينه هايي ، نياز فزاينده اي به واحدهاي اندازه گيري استاندارد شده ايجاد مي كند. آنها منجر به استاندارد سازي بين المللي واحدهاي ولت ، آمپر ، كولن ، اهم ، فراد و مرغ شدند. اين امر در يك كنفرانس بين المللي در شيكاگو در سال 1893 حاصل شد. [9] انتشار اين استانداردها اساس پيشرفتهاي آينده در استاندارد سازي در صنايع مختلف را تشكيل داد و در بسياري از كشورها تعاريف بلافاصله در قوانين مربوطه به رسميت شناخته شد. [10]
در طول اين سالها ، از آنجا كه فن آوري الكتريكي اوليه ماهيت الكترومكانيكي در نظر گرفته شد ، مطالعه برق به طور عمده زيرمجموعه اي از فيزيك در نظر گرفته شد. دانشگاه Technische Darmstadt اولين بخش مهندسي برق جهان را در سال 1882 تاسيس كرد و اولين دوره مهندسي برق را در سال 1883 معرفي كرد. [11] اولين برنامه مدرك مهندسي برق در ايالات متحده در انستيتوي فناوري ماساچوست (MIT) در بخش فيزيك زير نظر پروفسور چارلز كراس آغاز شد [12] ، اگرچه دانشگاه كورنل بود كه اولين فارغ التحصيلان مهندسي برق جهان را در سال 1885 توليد كرد. [13 ] اولين دوره مهندسي برق در سال 1883 در كالج مهندسي مكانيك و هنرهاي مكانيك كرنل سيبلي تدريس شد. [14] حدوداً در سال 1885 بود كه رئيس جمهور كرنل ، اندرو ديكسون وايت ، اولين بخش مهندسي برق را در ايالات متحده تأسيس كرد. [15] در همان سال ، دانشگاه كالج لندن اولين كرسي مهندسي برق را در انگليس تأسيس كرد. [16] به زودي پروفسور مندل پي وينباخ در دانشگاه ميسوري با تأسيس بخش مهندسي برق در سال 1886 اين كار را انجام داد. [17] پس از آن ، دانشگاه ها و م institسسات فناوري به تدريج برنامه هاي مهندسي برق را به دانشجويان خود در سراسر جهان ارائه دادند.
در طول اين دهه ها استفاده از مهندسي برق به طرز چشمگيري افزايش يافت. در سال 1882 ، توماس اديسون اولين شبكه برق بزرگ جهان را تأمين كرد كه 110 ولت - جريان مستقيم (DC) - را براي 59 مشتري در جزيره منهتن در شهر نيويورك تأمين مي كرد. در سال 1884 ، سر چارلز پارسونز توربين بخار را اختراع كرد كه امكان توليد كارآمدتر انرژي الكتريكي را فراهم مي كند. جريان متناوب ، با توانايي انتقال انرژي موثرتر در مسافت هاي طولاني با استفاده از ترانسفورماتور ، به سرعت در دهه هاي 1880 و 1890 با طراحي ترانسفورماتور توسط كارولي Zipernowsky ، Ottó Bláthy و Miksa Déri (ترانسفورماتورهاي ZBD ناميده مي شود) ، لوسين گولارد ، جان ديكسون گيبس و ويليام استنلي ، جونيور چارلز اشتاين متز و اليور هيويسايد به مباني نظري مهندسي جريان متناوب كمك كردند. [19] [20] گسترش استفاده از جريان برق متناوب در ايالات متحده باعث جنگ بين جريانات بين سيستم AC متصل به پشتيباني جورج وستينگهاوس و سيستم برق DC با پشتيباني توماس اديسون مي شود كه AC به عنوان استاندارد كلي تصويب مي شود. [21]
اوايل قرن 20
گوگليمو ماركوني ، معروف به خاطر كارهاي پيشگام خود در انتقال راديو از راه دور.
در طول توسعه راديو ، بسياري از دانشمندان و مخترعين به فناوري راديو و الكترونيك كمك كردند. كار رياضي جيمز كلرك ماكسول در طي دهه 1850 رابطه اشكال مختلف تابش الكترومغناطيسي از جمله امكان وجود امواج نامرئي در هوا (كه بعدا "امواج راديويي" ناميده مي شود) را نشان داده است. هاينريش هرتز در آزمايش هاي كلاسيك فيزيك خود در سال 1888 نظريه ماكسول را با انتقال امواج راديويي با يك فرستنده شكاف جرقه اثبات كرد و آنها را با استفاده از دستگاه هاي الكتريكي ساده شناسايي كرد. ساير فيزيكدانان با آزمايش اين امواج جديد و در اين فرآيند دستگاههايي را براي انتقال و تشخيص آنها توليد كردند. در سال 1895 ، گوگليمو ماركوني كار بر روي روشي را آغاز كرد تا بتواند روشهاي شناخته شده انتقال و تشخيص اين "امواج هرتزي" را در يك سيستم تلگرافي بي سيم تجاري ساخته شود. در اوايل ، او سيگنالهاي بي سيم را در مسافت يك و نيم مايل ارسال كرد. در دسامبر 1901 ، او امواج بي سيم ارسال كرد كه تحت تأثير انحناي زمين قرار نگرفتند. ماركوني بعداً سيگنالهاي بي سيم را از طريق اقيانوس اطلس بين پلدو ، كورنوال و سنت جان ، نيوفاندلند ، با مسافت 2100 مايل (3400 كيلومتر) منتقل كرد. [22]
ارتباط موج ميلي متر براي اولين بار توسط جگاديش چاندرا بوسه در طي سالهاي 1896-1894 مورد بررسي قرار گرفت ، زماني كه وي در آزمايشات خود به فركانس بسيار بالاي 60 گيگاهرتز رسيد. [23] وي همچنين هنگامي كه ردياب بلور راديويي را در سال 1901 ثبت اختراع كرد ، استفاده از اتصالات نيمه هادي را براي شناسايي امواج راديويي معرفي كرد. [25] [26]
در سال 1897 ، كارل فرديناند براون لوله اشعه كاتد را به عنوان بخشي از اسيلوسكوپ معرفي كرد ، يك فناوري مهم براي تلويزيون الكترونيكي. [27] جان فلمينگ اولين لوله راديويي ، ديود را در سال 1904 اختراع كرد. دو سال بعد ، رابرت فون ليبن و لي دي فارست به طور مستقل لوله تقويت كننده موسوم به تريود را توليد كردند. [28]
در سال 1920 ، آلبرت هول مگنترون را توسعه داد كه در نهايت منجر به توليد اجاق مايكروويو در سال 1946 توسط پرسي اسپنسر شد. [29] [30] در سال 1934 ، ارتش انگليس شروع به گام برداشتن به سمت رادار (كه از مگنترون نيز استفاده مي كند) تحت هدايت دكتر ويمپريس كرد ، كه در اوج 1936 با بهره برداري از اولين ايستگاه رادار در باودسي به پايان رسيد.
در سال 1941 ، كنراد زوسه Z3 ، اولين رايانه كاملاً كاربردي و قابل برنامه ريزي جهان را با استفاده از قطعات الكترومكانيكي ارائه داد. در سال 1943 ، تامي گلور (Colossus) ، اولين رايانه كاملاً كاربردي ، الكترونيكي ، ديجيتال و قابل برنامه ريزي در جهان ، را طراحي و ساخت. [32] [33] در سال 1946 ، ENIAC (يكپارچه ساز عددي الكترونيكي و رايانه) از جان پرسپر اكرت و جان ماوچلي پيروي كرد و دوران محاسبات را آغاز كرد. عملكرد حسابي اين ماشين ها به مهندسان اجازه داد تا فن آوري هاي كاملاً جديدي را توسعه دهند و به اهداف جديد دست يابند. [34]
در سال 1948 كلود شانون "نظريه رياضيات ارتباطات" را منتشر مي كند كه به صورت رياضي عبور اطلاعات با عدم اطمينان (سر و صداي الكتريكي) را توصيف مي كند.
الكترونيك حالت جامد
همچنين نگاه كنيد به: تاريخچه مهندسي الكترونيك ، تاريخچه ترانزيستور ، اختراع مدار مجتمع ، MOSFET و الكترونيك حالت جامد
ماكت اولين ترانزيستور در حال كار ، ترانزيستور نقطه تماس.
ترانزيستور اثر ميدان - اكسيد - نيمه هادي فلز (MOSFET) ، ساختمان اصلي الكترونيك مدرن.
اولين ترانزيستور در حال كار ترانزيستور نقطه تماس بود كه توسط جان باردين و والتر هوزر براتين اختراع شد و در سال 1947 زير نظر ويليام شوكلي در آزمايشگاه هاي تلفن بل (BTL) كار مي كرد. [35] آنها سپس ترانزيستور اتصال دو قطبي را در سال 1948 اختراع كردند. [36] در حالي كه ترانزيستورهاي اتصال زودهنگام دستگاههاي نسبتاً بزرگي بودند كه توليد آنها به صورت توليد انبوه دشوار بود ، [37] اما درهاي دستگاه هاي جمع و جورتر را باز مي كردند. [38]
فرآيند انفعال سطحي ، كه از طريق اكسيداسيون حرارتي ، سطح سيليكون را به صورت الكتريكي تثبيت مي كند ، توسط محمد م. آتالا در BTL در سال 1957 توسعه داده شد. اين منجر به توسعه تراشه يكپارچه مدار يكپارچه شد. اولين مدارهاي مجتمع مدارهاي تركيبي تركيبي بود كه جك كيلبي در Texas Instruments در سال 1958 اختراع كرد و تراشه مدار يكپارچه يكپارچه اختراع شده توسط رابرت نويس در نيمه هادي Fairchild در 1959 بود. [42]
MOSFET (ترانزيستور اثر ميداني نيمه هادي فلز اكسيد يا فلز) توسط محمد آتالا و داون كهنگ در BTL در سال 1959 اختراع شد. [43] [44] [45] اين اولين ترانزيستور كاملاً جمع و جور بود كه مي توانست براي طيف وسيعي از كاربردها كوچك سازي و به توليد انبوه برسد. [37] اين صنعت انقلابي در صنعت الكترونيك ايجاد كرد ، [46] [47] به پركاربردترين دستگاه الكترونيكي در جهان تبديل شد. [44] [48] [49] MOSFET عنصر اساسي در اكثر تجهيزات الكترونيكي مدرن است ، [50] [51] و در انقلاب الكترونيك ، [52] انقلاب ميكروالكترونيك ، [53] و انقلاب ديجيتال ، مركزي بوده است. [45] [54] [55] ] بنابراين MOSFET به عنوان تولد الكترونيك مدرن ، [56] [57] و احتمالاً مهمترين اختراع در الكترونيك به حساب مي آيد. [58]
