هندسة القوى والالات الكهربية

الهندسة الكهربائية أوهندسة الكهرباء والإلكترونيات تخصص يهتم بدراسة وتطبيقات علوم الكهرباءوالإلكترونيات والمجالات الكهرومغناطيسية. أصبح هذا المجال معروفاً في أواخر القرن التاسع عشر وذلك بعد انتشار البرقية ومحطات إمداد الطاقة. والآن يغطي هذا المجال عدداً من المواضيع الفرعية والتي تتضمن الطاقة والإلكترونيات ونظم التحكم الآلي ومعالجة الإشارات والاتصالات اللاسلكية.

ومن الممكن أن نقول أن الهندسة الكهربائية قد تتضمن أيضاً هندسة الإلكترونيات وقد 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، مولد القدرة الغير منقطعة UPS ، المواد المغناطيسية وغيرها من الأجهزةالكهرومغناطيسية والكهروميكانيكية

ظهر الاهتمام العلمي بالكهرباء منذ بدايات القرن السابع عشر على الأقل. فيعتقد أن أول مهندس كهرباء هووليام جلبرت الذي صمم آلة لاكتشاف الأجسام ذات الشحنات الكهربية الساكنة. وهو 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 (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 نظريةالكهرومغناطيسية 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” ألكسندر غراهام 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 العام1876 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.

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 الإرسال والاستقبال الراديوي متوفرة تجاريا. عام 1905 اخترع جون فليمينغ أول صمام ثنائي، ليتبعه عام 1906 روبرت فون ليبن ولي دو فوريسبالصمام 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 أول حاسوب كامل الوضائف تحت مسمى Z3، ليلحقه في العام 1946جون 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

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 علىالرياضيات, 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