הנדסת חשמל

הנדסת חשמל (לרוב: הנדסת חשמל ואלקטרוניקה) היא תחום הנדסי אשר עוסק, במובנו הרחב ביותר, במניפולציה של גלים אלקטרומגנטיים. הנדסת החשמל כרוכה לרוב בתכנון מעגלים חשמליים והתאמתם ליישום הדרוש, ומכסה מגוון רחב של תת-תחומים ביניהם הספק, אלקטרוניקה, אלקטרואופטיקה, בקרה, עיבוד אותות ותקשורת.
הנדסת האלקטרוניקה עוסקת במערכות אלקטרוניות זעירות כמחשבים ומעגלים משולבים ובבעיות הכרוכות במערכות חשמליות גדולות כגון ייצור חשמל ובקרה
.
מהנדס חשמל עוסק בחשמל כאמצעי להעברת אנרגיה. לעומתו, מהנדס אלקטרוניקה עוסק בשימוש בחשמל כאמצעי להעברת אינפורמציה.
התחום הפך לעיסוק בעל זהות מגובשת בסוף המאה ה-19 בד בבד עם מגמת המסחור של הטלגרף ושל אספקת חשמל לצרכנים. הנדסת החשמל והאלקטרוניקה הובילה לפיתוח סוגים רבים של התקנים חשמליים ואלקטרוניים בהם מנועים חשמליים, טלוויזיות, לוויינים, נגני מוזיקה מסוגים שונים, טלפונים סלולריים ומחשבים.

התקופה המוקדמת

חשמל היה מוקד לעניין מדעי לפחות החל מהמאה ה-17, אך רק במאה ה-19 החל מחקר משמעותי בנושא. פריצות הדרך העיקריות בתקופה זו כוללות את עבודתו של גאורג אוהם, שבשנת 1827 כימת את היחס בין הזרם החשמלי לבין הפרש הפוטנציאל חשמלי בתוך מוליך, עבודתו של מייקל פאראדיי בנושא ההשראה האלקטרומגנטית ב-1831 וכן עבודתו של ג'יימס קלרק מקסוול שבשנת 1873 פרסם את משוואות מקסוול.
התפתחות תעשיית האנרגיה החשמלית והאור באותן שנים גרמה לעלייה משמעותית בביקוש למהנדסי חשמל מנוסים. באותה תקופה, מהנדסים הוכשרו במסגרת התמחויות. שיטת זו הכשירה מהנדסי מכונות ומהנדסים אזרחיים, אך כשלה בניסיון להכשיר אנשים שחפצו להשתלב בתעשיית החשמל מכיוון שלאור ההתפתחות המהירה של התחום, לא היה מספיק מהנדסי חשמל מנוסים שסטודנט פוטנציאלי היה יכול ללמוד מהם.
באותן שנים, לימוד החשמל נחשב כתת-תחום של פיזיקה, ובאופן טבעי, משימת לימודי הנדסת החשמל נפלה לחיק הפרופסורים לפיזיקה, כאשר רק להם היה את הידע החשמלי הנדרש ואת היכולות להעביר אותו למספר גדול של סטודנטים. רק בסוף המאה ה-19 החלו אוניברסיטאות להציע תארים אקדמיים בהנדסת חשמל. הפקולטה הראשונה בעולם להנדסת חשמל הוקמה בשנת 1882 באוניברסיטת דארמשטאט לטכנולוגיה. בשנת 1883 הציגה אוניברסיטה זו בשיתוף עם אוניברסיטת קורנל את הקורסים הראשונים בתחום הנדסת החשמל. בשנת 1885 הוקמה הפקולטה הראשונה באנגליה.
אוניברסיטת מיזורי הקימה ב-1886 את הפקולטה להנדסת חשמל הראשונה בארצות הברית.
מחלקות הנדסת החשמל שמרו על קשרים הדוקים עם מחלקות הפיזיקה שמהן התפצלו זמן רב אחרי שהתפצלו ושנים אחרי שהרדיו, הרדאר ואלקטרוניקה מבוססת מוליכים למחצה הגיחו לעולם.
הקו המפריד בין מחקר מתקדם בהנדסת חשמל לבין מחקר בתחום הפיזיקה היה כמעט ולא קיים.
ממציאים הסתמכו על גילויים שונים של פיזיקאים, ופיזיקאים תקפו בעיות טכנולוגיות שנעו בין היעילות של מנוע הקיטור לבין הדעיכה של אותות טלגרפיה, אך למרות זאת, מעטים הם המהנדסים במאה ה-19 שהחשיבו למידה אקדמית בתחום הפיזיקה כמסלול הכי טוב להצלחה במקצועם.
האיש שגילה את הובלת החשמל היה יוסף פופר ב-1862 שהיה הראשון להגות את הרעיון של העברת כוח חשמלי ב-1862 והוא הסביר את זה ב-1862 בתקשורת ב imperial academy of sciences בווינה שפירסמה את אותו הדבר ב-1882. בשנת 1882, הקים תומאס אדיסון את רשת החשמל הראשונה. היא סיפקה זרם ישר במתח של 110 וולט ל-59 צרכנים במנהטן. בשנת 1887, ניקולה טסלה רשם מספר פטנטים בנוגע לזרם חילופין שהיווה שיטה חלופית להובלת חשמל אשר התחרתה בשיטה של אדיסון. בשנים הבאות התעצמה היריבות בין טסלה לאדיסון, בנוגע לשיטת הובלת הזרם. לבסוף הכריעו הנסיבות לטובת זרם חילופין כשיטה לייצור והובלת חשמל.
המאמצים של שני האישים תרמו משמעותית לקידום תחום הנדסת החשמל. עבודתו של טסלה על מנועי השראה ומערכות מרובות פאזה השפיעה על התחום שנים רבות אחר כך. עבודתו של אדיסון בנושא הטלגרפיה הוכחה כרווחית עבור החברה שלו שלימים תקרא ג'נרל אלקטריק.
בסוף המאה ה-19 החלו לתפוס את מרכז הבמה שחקני מפתח אחרים בתחום.

התפתחויות מודרניות

לאחר המצאת הרדיו, תרמו מדענים וממציאים רבים לטכנולוגיה האלחוטית והאלקטרוניקה. בניסוייו הקלאסיים ב-UHF בשנת 1888, שידר וקלט היינריך הרץ (
באמצעות spark-gap transmitter) גלי רדיו באמצעות ציוד חשמלי. בשנת 1895, ניקולה טסלה הצליח לקלוט באזור ווסט-פוינט אותות משידורים שנבעו ממעבדתו שבניו יורק (מרחק המוערך בכ-80 קילומטרים)
.
קרל פרדיננד בראון, הציג לעולם בשנת 1897 את שפופרת הקרן הקתודית כחלק מהאוסצילוסקופ, טכנולוגיה שתשמש מאוחר יותר בהמצאת הטלוויזיה.
ג'ון פלמינג המציא את הדיודה הראשונה בשנת 1904. שנתיים מאוחר יותר, פותחה שפופרת הגברה הקרויה טריודה, על ידי רוברט ואן ליבן ולי דה פורסט . בשנת 1920 המציא אלברט הול מגנטרון אשר ישמש אחר כך לפיתוח המיקרוגל בשנת 1946 על ידי פרסי ספנסר .
בשנת 1934, החל הצבא הבריטי, תחת הנחייתו של דוקטור וימפריס, לבצע צעדי ענק לקראת הרדאר (שגם כן עושה שימוש במגנטרון). תחנת הרדאר הראשונה הופעלה בבאוודסיי באוגוסט 1936.
בשנת 1941 הציג קונראד צוזה את ה-Z3, המחשב הפועל, בר התכנות, הראשון בעולם
 .
בשנת 1946 הופיע הENIAC של ג'ון פרספר אקרט וג'ון מוקלי ובישר את תחילת עידן המחשוב. הביצועים האריתמטיים של המכונות החדשות אפשרו למהנדסים לפתח טכנולוגיית חדשות לחלוטין ולהשיג יעדים חדשים ביניהם תוכנית אפולו והנחיתה על הירח
.
המצאת הטרנזיסטור בשנת 1947 על ידי ויליאם שוקלי, ג'ון ברדין ווולטר בראטיין פתחה אפשרויות חדשות ליצור התקנים קומפקטיים יותר והובילה לפיתוח המעגל המשולב, על ידי ג'ק קילבי בשנת 1958 ובאופן עצמאי מאוחר יותר ב-1959 על ידי רוברט נויס.
בשנת 1968 מרסיאן הוף פיתח את המיקרו-מעבד הראשון בחברת אינטל ובכך נתן את אות הפתיחה לפיתוח המחשב האישי. המימוש הראשון של המיקרו-מעבד היה מודל האינטל 4004, מעבד 4 סיביות, שפותח בשנת 1971. אולם, רק בשנת 1973 אפשר האינטל 8080,מעבד בן 8 סיביות, לבנות את המחשב האישי הראשון, ה-Altair 8800.

כלים ועבודה

החל בהתקני GPS וכלה בייצור חשמל, מהנדסי חשמל עוסקים במגוון רחב של טכנולוגיות. הם מתכננים ומפתחים התקנים אלקטרוניים ומערכות חשמל. הם גם אחראים לפקח על פעולתם וביצועיהם ולבדוק ולאמת אותם. מהנדס חשמל יכול לעסוק בתכנון של מערכת תקשורת, תכנון שבבים, עיבוד אותות, תכנון מערכות אלקטרוניות ביתיות או בתכן מערכות בקרה של מכונות, רובוטים, טילים ומטוסים.
שליטה במדעי המתמטיקה והפיזיקה חיונית שכן היא מסייעת להשיג הבנה כמותית ואיכותית לגבי אופן פעולתן של מערכות. רוב עבודת ההנדסה כוללת שימוש במחשבים וזה מנהג שבשגרה להשתמש בתוכנות CAD בעת תכנון מערכות אלקטרוניות. בנוסף יכולות בין-אישיות ויכולות העלאת רעיונות הן חיוניות כדי לתקשר עם עמיתים במהירות.
רוב מהנדסי החשמל בעלי ידע בתורת מעגלים חשמליים בסיסית (כלומר התפקיד של נגד, קבל, דיודה, טרנזיסטור וסליל במעגל חשמלי). אולם, הידע שמהנדס חשמל משתמש בו תלוי בסוג העבודה שעליו לבצע. למשל, מכניקת הקוונטים ופיזיקת מצב מוצק חשובים בתחום המיקרואלקטרוניקה אבל לא חיוניים בעת עבודה עם מערכות גדולות. ייתכן שידע בתורת המעגלים החשמליים לא יהיה הכרחי למהנדס המתכנן מערכת תקשורת העושה שימוש ברכיבי מדף. היכולות שלהן זקוק מהנדס חשמל משתקפות בתוכניות הלימוד של האוניברסיטאות השונות שמדגישות חשיבה מתמטית, ידע רחב במחשבים והיכולת להבין את הז'רגון והעקרונות הטכניים אשר קשורים בתחום הנדסת החשמל.
נתח ניכר מעבודת המהנדס מוקדש לביצוע מטלות כגון שיג ושיח בנוגע להצעות מול לקוחות, הכנת תקציב והחלטה על לוח זמנים לפרויקט. מהנדסים בכירים רבים מנהלים צוותים של טכנאים או מהנדסים זוטרים וזו הסיבה שיכולת לנהל פרויקט היא חשובה ביותר. ברוב הפרויקטים ההנדסיים קיים צורך בכתיבת תיעוד וכאן באה לידי ביטוי החשיבות שביכולת כתיבה טכנית מעולה.
מקומות העבודה של מהנדסי החשמל מגוונים כמו סוגי העיסוקים שלהם. מהנדסי חשמל יכולים להמצא במעבדה של מפעל ייצור בעבודות פיתוח, אימות או יצור, במשרד של חברת ייעוץ, או באתר עבודות. במהלך תקופת עבודתם, רבים מהם יפקחו על מגוון רחב של אנשים ביניהם מדענים, טכנאים, מתכנתים ומהנדסים עמיתים.

בקרה

הנדסת בקרה שמה דגש על מידול של מגוון רחב של מערכות דינמיות ועל תכן בקרים שיאפשר למערכות להתנהג באופן הרצוי. על מנת לממש בקרים אלו מהנדסי חשמל יכולים להשתמש במעגלים חשמליים, מעבדי DSP וכן מיקרו-בקרים. הנדסת בקרה מאפשרת ישומים רבים החל במערכות אוויוניקה, טיסה והנעה של מטוסים וכלה בבקרת שיוט הקיימת במכוניות רבות. לבקרה גם תפקיד מפתח באוטומציה תעשייתית.
מהנדסי בקרה מיישמים פעמים רבות משוב כאשר הם מתכננים מערכות בקרה. למשל, במכונית עם בקרת שיוט המהירות של המכונית נמדדת באופן תדיר ומוזנת חזרה למערכת שמכווננת את מהירות המנוע בהתאם. היכן שיש משוב, תאוריית הבקרה יכולה לקבוע כיצד תגיב המערכת למשוב.

זרם חזק

מהנדסי חשמל בתחום הזרם החזק מתכננים את מערכות הייצור וההולכה של החשמל, החל בתחנות הכוח, דרך מערכות ההשנאה וההולכה, וכלה במתקני הצריכה הסופיים כמבנים, תאורת חוץ, רכבות חשמליות וכדומה. בישראל ובמדינות רבות אחרות נדרש רישיון על מנת לעסוק בתחום הזרם החזק והתכנון עצמו כפוף לחוקים ולתקנות.

תחום נפוץ נוסף בו עוסקים מהנדסי זרם חזק הוא ניהול תחזוקת מערכת החשמל של מתקנים מורכבים כגון נמלי תעופה, בתי חולים ובתי חרושת.

אלקטרוניקת הספק

תחום השייך לשני ענפים: זרם חזק ואלקטרוניקה. הוא עוסק בהמרת אנרגיה חשמלית באמצעות רכיבים אלקטרוניים, תוך שמירה על נצילות גבוהה. התחום מקיף מכלול רחב של יישומים, ובהם הזנת סוללות למכשור נייד, המרת מתח רשת לצורך הזנת מחשבים ותאורה (לדוגמה, המרה ממתח רשת של 220 וולט AC למתח מחשבים, 12 וולט DC), המרת אנרגיית השמש להזנת צרכני חשמל ועוד.

אלקטרואופטיקה

תת-תחום המשלב בין אלקטרוניקה ואופטיקה, ומטפל בחקר ויישום תופעות הקשורות באינטראקציה שבין אופטיקה ותורת הגלים לבין תורת החשמל והאלקטרוניקה. התחום מקיף מכלול יישומים העושים שימוש בתוכנות אלקטרואופטיות שונות לשם הפקת אנרגיה, תכנון עדשות או מערכת עדשות, חישה מרחוק, הצבת תאורה, עיבוד תמונה ונושאים נוספים. בין הרכיבים האלקטרואופטיים הנפוצים נמצאים: תאי שמש (תאים סולריים), דיודה פולטת אור (לד LED) ופוטודיודה, לייזר, גלאים בתדרים שונים (אור נראה, תת-אדום, על סגול), סיבים אופטיים ועוד. בין המערכות האלקטרואופטיות המוכרות יותר נמנים: מסכים מסוגים שונים כגון, CRT, פלזמה ו-LCD, מקרנים, מצלמות בתדרים שונים, מערכות גילוי או ניתוח מידע הכוללות עיבוד תמונה, תקשורת אופטית, מכשירי ראיית לילה ו מכונות פוטוליתוגרפיה.

תחומים בעלי זיקה

מכטרוניקה הוא תחום בהנדסה שעוסק בנקודה שבה מתכנסות מערכות אלקטרוניות ומכניות. מערכות אלקטרומכניות כאלה נפוצות ביותר. דוגמאות הן למשל מערכות ייצור אוטומטיות, מערכות מיזוג אוויר ותת מערכות של מטוסים ומכוניות.
מקובל לראות במכטרוניקה תחום העוסק במערכות עם ממדים גדולים אבל עתידנים חוזים את פריחתם של ההתקנים האלקטרומכניים המזעריים. התקנים כאלה, הקרויים התקני MEMS מותקנים במכוניות על מנת לתזמן את פתיחת כריות האוויר, במדפסות על מנת לשפר את איכות ההדפסה ובמקרנים על מנת לשפר את חדות התמונה. התקנים אלו עשויים בעתיד לסייע לשפר תקשורת אופטית ולבנות התקנים מזעריים ברי השתלה.
הנדסה ביו רפואית הוא תחום העוסק בתכן ציוד רפואי מתקדם.

הכשרה של מהנדסי החשמל

מהנדסי חשמל מחזיקים בתואר אקדמי. תקופת הלימודים עד לקבלת התואר אורכת 4 עד 5 שנים כתלות באוניברסיטה. התואר כולל לימודי קורסים שונים בפיזיקה, מתמטיקה, ניהול פרויקטים, ונושאים ממוקדים בתחום הנדסת החשמל. לקראת סוף התואר הסטודנטים בוחרים להתמחות בתחום אחד או יותר מבין מגוון התחומים המוצעים.
תואר שני בתחום יכול לכלול מחקר או תרגול בקורסים או שילוב של שניהם. תואר דוקטור עוטף בחובו מרכיב מחקרי משמעותי.