مهندسی برق

مهندسان الکترونیک سیستم‌های پیچیده پردازش اطلاعات را طراحی می‌کنند. (یک پردازنده رایانه (CPU) اینتل core i7-2600 که با ابعاد۳۷٫۵x۳۷٫۵ میلی‌متر دارای حدود ۱ میلیارد و ۱۶۰ میلیون ترانزیستور است)
مهندسی برق زیرمجموعه‌ای از مهندسی است که به مطالعه و کاربردهای مرتبط با الکتریسیته، الکترومغناطیس و الکترونیک می‌پردازد. می‌توان مهندسی برق را به دو قسمت عمده تقسیم کرد: بررسی و طراحی سیستم‌های انتقال و تبدیل انرژی الکتریکی؛ یا بررسی و طراحی سیستم‌های الکترونیکی برای پردازش و انتقال اطلاعات، نظیر رایانه‌ها، سامانه‌های مخابراتی، مدارهای مجتمع، رادارها و نظایر آن. به بیان دیگر، مهندسان برق از الکتریسیته یا برای انتقال انرژی یا برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند.
فراگیرتر شدن استفاده از انرژی الکتریکی و افزایش نیاز به انتقال و نیز پردازش سریع‌تر اطلاعات، مهندسی برق را به یکی از مهم‌ترین و پر طرفدارترین زمینه‌های مهندسی و صنعت تبدیل کرده‌است.
تاریخچه
الکتریسیته یکی از موضوعات جذاب علمی از اوایل قرن هفدهم بوده‌است. یکی از اولین مهندسین برق احتمالا ویلیام گیلبرت بوده‌است که اولین وسیله اندازه‌گیری الکتریسیته یا الکتروسکوپ را طراحی کرد و آن را ورسوریوم(versorium)نامید. همچنین او اولین کسی بود که به‌طور واضح مغناطیس و الکتریسیته ساکن را تمیز داد.
تا پیش از حدود دهه ۱۸۸۰، مباحث مربوط به الکتریسیته و کاربردهای آن، زیرمجموعه‌ای از فیزیک تلقی می‌شد. این رشته اولین بار در نیمه دوم قرن نوزده میلادی، بعد از تجاری سازی تلگراف، تلفن و توزیع برق و استفاده‌های آن به عنوان یک شغل شناخته شده مطرح شد. از حدود سال ۱۸۸۵ برخی دانشگاه‌ها و موسسات فناوری مانند دانشگاه کرنل یا موسسه فناوری ماساچوست، رشته کارشناسی مهندسی برق را ایجاد نمودند. دانشگاه فنی دارمشتات اولین دانشگاهی بود که در سال ۱۸۸۲ دانشکده مهندسی برق را ایجاد کرد و پس از آن دانشگاه کرنل و دیگر دانشگاه‌ها این رشته را ارائه نمودند.
دانشمندان معروف
مایکل فارادی
نیکولا تسلا
هاینریش هرتز
آندره ماری آمپر
گوستاو رابرت کیرشهوف
الساندرو جوزپه ولتا
گئورگ زیمون اهم
توماس ادیسون (بیشتر؛ کارآفرین با پشتکار)
اولین مهندس برق در ایران
حیدرخان عمواوغلی (زاده ۱۲۵۹ خورشیدی در ارومیه آذربایجان-درگذشته ۵ آبان ۱۳۰۰ در مسجدپیش گیلان) معروف به حیدر برقی، اولین مهندس برق ایران و انقلابی ایرانی با دیدگاه جهانشمول و از فعالان موثر جنبش مشروطه ایران، نهظت جنگل و نیز از رهبران حزب کمونیست ایران بود. .
رشته مهندسی برق در ایران
گرایش‌های مقطع کارشناسی
رشته مهندسی برق در مقطع کارشناسی دارای ۵ گرایش زیر است. در برخی دانشگاه‌ها، گرایش دانشجو پس از گذراندن ۳ تا ۵ ترم مشخص می‌شود.
مهندسی قدرت
مهندسی الکترونیک
مهندسی مخابرات
مهندسی کنترل
مهندسی پزشکی (بیوالکتریک  بیوانفورماتیک در برخی دانشگاه‌ها)
در دانشگاه‌های صنعتی شریف، تهران و صنعتی امیرکبیر و فردوسی مشهد گرایش سیستم‌های دیجیتال (که در تقسیم‌بندی پنج‌گانه، زیرمجموعه‌ای از گرایش الکترونیک محسوب می‌شود) به ۵ گرایش فوق اضافه شده‌است در پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپو ر، علاوه‌بر گرایش قدرت، گرایش شبکه‌های انتقال و توزیع ایجادشده‌است که ترکیبی از گرایش قدرت و مباحث مربوط به شبکه سراسری برق و مدیریت توزیع و مصرف می‌باشد.
مباحث اصلی
به‌طور کلی، مباحث اصلی مهندسی برق (عمدتا در دوره کارشناسی) موارد زیر هستند:
معادلات دیفرانسیل، جبر خطی و تحلیل فوریه
پردازش سیگنال (پیوسته و گسسته‌زمان)
مدارها و سیستم‌های الکترونیکی آنالوگ
مدارها و سیستم‌های الکترونیکی دیجیتال، ریزپردازنده‌ها
الکترومغناطیس، امواج الکترومغناطیسی و آنتن‌ها
ماشین‌های الکتریکی (موتورها، ژنراتورها و ترانسفورمرها)
سیستم‌های انتقال انرژی الکتریکی
سیستم‌های مخابراتی و انتقال اطلاعات (آنالوگ و دیجیتال)
سیستم‌های کنترل و رباتیک
مدارهای الکتریکی ۱و۲، سیگنال‌ها و سیستم‌ها، الکترونیک ۱و۲، مدارهای منطقی، الکترومغناطیس، معادلات دیفرانسیل، ریاضیات مهندسی، آمار و احتمالات، ماشین‌های الکتریکی ۱و۲، بررسی سیستم‌های قدرت ۱ برخی از دروسی است که دانشجویان تمام گرایش‌های مهندسی برق در مقطع کارشناسی موظف به گذراندن آن هستند.
گرایش قدرت
مهندسین قدرت سیستم‌های انتقال و توزیع برق را طراحی و اجرا می‌کنند.
مهندسی قدرت با ،تولید ،انتقال و توزیع انرژی الکتریکی و ساخت برخی دستگاه‌های مربوط به آن نظیر ترانسفورمرها، ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیکی مورد نیاز سروکار دارد.
این گرایش، به عنوان قدیمی‌ترین گرایش در رشته مهندسی برق، خود به چندین زیرگرایش تقسیم می‌شود.
در مبحث انتقال و توزیع ، روش‌های مختلف انتقال برق اعم از کابل‌های هوایی و زیرزمینی، اصول مهندسی فشار قوی و همچنین مدیریت شبکه توزیع و توزیع بهینه را مطالعه می‌کنند. برای مثال ،می‌توان با بهینه‌سازی شبکه‌های برق‌رسانی، تا حد زیادی از تلفات در شبکه جلوگیری نمود که این‌کار موضوع این گرایش از مهندسی قدرت است.
مبحث حفاظت نیز به بررسی انواع وسایل و تجهیزات حفاظتی‌ای می‌پردازد که در مراحل مختلف تولید، توزیع، انتقال و مصرف انرژی، و تاسیسات الکتریکی و نیز انسان‌ها را در برابر حوادث مختلف محافظت می‌کنند.
گرایش ماشین‌های الکتریکی شامل ژنراتورها، ترانسفورمرها و موتورهای الکتریکی می‌شود که این شاخه از زمینه‌های مهم صنعتی و پژوهشی گرایش قدرت است.
گرایش الکترونیک قدرت به طراحی و بهره‌برداری از تجهیزات الکترونیکی ویژه سیستم‌های قدرت می‌پردازد. این تجهیزات باید با ولتاژ و جریان‌های بالا سازگار باشند.
ماشین‌های الکتریکی ۳، بررسی سیستم‌های قدرت ۲، حفاظت سیستم، رله و حفاظت، اصول مهندسی عایق و فشار قوی، تولید و نیروگاه، طراحی و توسعه شبکه و مدیریت توزیع از اصلی‌ترین دروس این گرایش می‌باشند.
گرایش الکترونیک
مدارهای پیچیده الکترونیکی
الکترونیک علمی است که به بررسی حرکت الکترون در خلاء در مواد رسانا یا نیمه رسانا و اثرات و کاربردهای آن می‌پردازد. با توجه به این تعریف، مهندس الکترونیک در زمینه ساخت قطعات الکترونیک و کاربرد آن در مدارها، فعالیت می‌کند. البته متاسفانه به علت عدم توانایی رقابت در بازار با برندهای مشهور موجود، در ایران در سطح وسیع، تولید قطعات الکترونیکی صورت نمی‌گیرد.
به عبارت دیگر، زمینه فعالیت مهندسی الکترونیک را می‌توان به دو شاخه اصلی «ساخت قطعات و کاربرد مداری قطعه» و «طراحی مدارهای الکتریکی» تقسیم کرد.
تکنیک پالس، الکترونیک ۳، میکروپروسسور، معماری کامپیوتر، مدارهای مخابراتی، فیزیک مدرن و فیزیک الکترونیک از جمله دروس اصلی گرایش الکترونیک محسوب می‌شوند.
گرایش مخابرات
یک رادار مخابراتی
هدف از مخابرات ارسال و انتقال اطلاعات از نقطه‌ای به نقطه دیگر است که این اطلاعات می‌تواند صوت، تصویر یا داده‌های کامپیوتری باشد.
مخابرات، گرایشی از مهندسی برق است که در حوزه ارسال و دریافت اطلاعات از روش‌های موجی و مخابراتی فعالیت می‌کند. مهندسی مخابرات با ممکن ساختن ایجاد ارتباط پرسرعت ،امن و آسان بین دو یا چند کاربر در مکان‌های مختلف، زندگی انسان را متحول ساخته‌است. از آثار گسترش مهندسی مخابرات می‌توان به رادیو و تلویزیون، اینترنت و ماهواره‌های ارتباطی یا تحقیقاتی (مخابرات فضایی) اشاره کرد.
مهندسی مخابرات از دو قسمت عمده مخابرات میدان و سیستم‌های مخابراتی تشکیل می‌شود. البته با توجه به گستردگی گرایش سیستم امروزه در برخی از دانشگاه‌ها مانند دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی اصفهان گرایش‌های رمز و شبکه از گرایش سیستم در مقطع کارشناسی ارشد جدا شده‌است. دروس اصلی گرایش مخابرات در مقطع کارشناسی عبارت است از: میدان و امواج، مایکروویو و آنتن، فیلتر و سنتز مدار (مرتبط یا مخابرات میدان) مخابرات دیجیتال و اصول پردازش سیگنال‌های گسسته در زمان (مرتبط با گرایش سیستم‌های مخابراتی).
گرایش مخابرات میدان
در مبحث میدان، مهندسان با ارسال ،انتشار و دریافت امواج الکترومغناطیسی از طریق یک کانال مخابراتی (که می‌تواند فضای آزاد در مخابرات بی‌سیم یا یک فیبر نوری در مخابرات فیبر نوری باشد) و فرستنده و گیرنده (که می‌تواند یک آنتن ماهواره در مخابرات ماهواره‌ای یا یک مدار الکترونیکی در مخابرات فیبر نوری باشد) سروکار دارند. به عبارت دیگر، می‌توان گفت مهندسین میدان به‌طور عمده با جنبه فیزیکی چگونگی انتقال امواج حاوی اطلاعات، از نقطه‌ای به نقطه دیگر روبه‌رو هستند. بدین‌ترتیب مهندسی مخابرات میدان، رابطه زیادی با فیزیک کاربردی (در قسمت الکترومغناطیس) دارد..
برخی از دروس گرایش مخابرات میدان در مقطع کارشناسی ارشد عبارت است از الکترومغناطیس پیشرفته، ریاضیات مهندسی پیشرفته، اجزاء نیمه هادی مایکروویو، طراحی مدارات فعال مایکروویو، فیبر نوری، تئوری پراکندگی امواج و روش‌های عددی در الکترومغناطیس.
گرایش سیستم‌های مخابراتی
حوزه فعالیت در گرایش سیستم بسیار گسترده‌است و شامل مباحث متنوعی همچون پردازش سیگنال، مخابرات بی‌سیم، شبکه‌های مخابراتی و موبایل، شبکه‌های کامپیوتری، تئوری اطلاعات، مخابرات نوری و امنیت است. به‌طور کلی محققان گرایش سیستم، سعی در مقاوم‌سازی سیستم در برابر نویز، انتقال موثر سیگنال و در نهایت آشکارسازی یک سیگنال مخابراتی دارند. اما در این فرایند معمولا محققین گرایش سیستم به ساختار فیزیکی سیستم توجه چندانی ندارند و یک سیستم مخابراتی را همچون یک جعبه سیاه در نظر می‌گیرند و تمرکز اصلی را بر بهبود پارامتریک سیگنال از دیدگاه ریاضیاتی می‌گدارند. این گرایش نزدیکی بسیار زیادی با مباحث ریاضیات کاربردی به خصوص آنالیز ریاضی و فرآیندهای تصادفی دارد.
دروس گرایش سیستم‌های مخابراتی در مقطع کارشناسی ارشد بسیار متنوع است. برخی از این دروس عبارتند از: فرایند تصادفی، مخابرات پیشرفته، تئوری اطلاعات، تئوری کدینگ، تئوری تخمین و آشکارسازی، تئوری صف، اصول سیستم‌های رادار، مخابرات ماهواره‌ای، پردازش گفتار، پردازش تصویر و ویدئو، پردازش زمان - فرکانس، مخابرات نوری، فیبر نوری ، انتقال داده و شبکه‌های کامپیوتری، شبکه مخابرات داده.
گرایش مخابرات رمز
با توجه به گسترش حوزه فعالیت محققین گرایش مخابرات سیستم و به منظور تمرکز بر مباحث امنیت گرایش رمز برای اولین بار در ایران در سال ۱۳۷۸ در پژوهشکده الکترونیک دانشگاه شریف وابسته به دانشکده برق این دانشگاه، پذیرش دانشجو در مقطع کارشناسی ارشد را آغاز کرد. از این رو این گرایش نزدیکی بسیاری با گرایش مخابرات سیستم دارد. در حال حاضر علاوه بر دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی اصفهان و دانشگاه صنعتی مالک اشتر نیز این گرایش را در مقطع کارشناسی ارشد مخابرات اضافه کرده‌اند. البته گرایش مخابرات رمز در ایران دارای مقطع دکترا نیست و دانشجویان علاقه‌مند فعالیت‌های پژوهشی خود را در این مقطع در زمینه‌های مرتبط تحت عنوان گرایش مخابرات سیستم انجام خواهند داد. عمده فعالیت محققین مخابرات رمز در حوزه ارسال و دریافت امن اطلاعات می‌باشد که به‌طور کلی شامل امنیت در پردازش سیگنال، امنیت در شبکه‌های کامپیوتری، امنیت در الگوریتم‌های رمزنگاری و امنیت در انتقال اطلاعات می‌باشد.
مباحثی که در حوزه رمزشناسی و الگوریتم‌ها قرار می‌گیرند، عمدتا نیازمند دانش قوی ریاضیاتی در نظریه اعداد و جبر مجرد می‌باشد و معمولا دروس ریاضیات رمزنگاری و اصول رمز نگاری به منظور آشنایی دانشجویان با مفاهیم مرتبط در نظریه اعداد و جبر مجرد تدریس می‌شوند. برخی از این مفاهیم عبارت اند از: نظریه هم نهشتی‌ها، مسئله تجزیه اعداد، مسئله لگاریتم گسسته، معادلات هم نهشتی، نظریه گروه حلقه و میدان، میدان‌های برداری و خم‌های بیضوی. مباحثی که مرتبط با امنیت اطلاعات هستند به دلیل استفاده از تئوری اطلاعات، عمدتا نیازمند دیدگاهی قوی در حوزه آمار و فرایندهای تصادفی است.
دروس اصلی این گرایش در دانشگاه صنعتی شریف شامل ریاضیات رمزنگاری، اصول رمزنگاری، رمزنگاری پیشرفته، تئوری اطلاعات و کدینگ، مخابرات پیشرفته و فرایندهای تصادفی است. ضمنا دانشجویان می‌توانند دروسی مانند نهان سازی اطلاعات، تئوری اطلاعات شبکه، امنیت در شبکه‌های کامپیوتری و… را به عنوان دروس اختیاری اخذ کنند.
گرایش کنترل
یک بمب سنگرشکن هدایت‌شونده به هدف اصابت می‌کند. هدایت پرتابه‌ها یک مسئله مرتبط با مهندسی کنترل است.
اگر بخواهیم یک تعریف کلی از کنترل ارائه دهیم، می‌توانیم بگوییم که هدف این علم، کنترل متغیرهای اساسی سیستم (که متغیرهای خروجی می‌تواند تنها بخشی از این متغیرها باشد) بر مبنای برخی ملاکهای مطلوب می‌باشد. این ملاکها می‌تواند سرعت یک موشک، دمای یک اتاق، زاویه چرخش بازوی ربات و… باشد. به عنوان یک مثال ساده می‌توان کنترل زمان اوج‌گیری یک هواپیمای جنگنده را در نظر گرفت. در این مثال، زاویه پره‌های هواپیما، میزان سوخت تزریقی و سایر متغیرهای تاثیرگذار بایستی با روش‌های ریاضی محاسبه و سیستم کنترل‌کننده به دقت طراحی شود تا بتوان زمان عکس‌العمل سیستم را کاهش داد و آن را در برابر اثرات نویز محیط (مانند وزش باد یا …) مقاوم کرد.
کنترل، در پیشرفت علوم دیگر نقش ارزنده‌ای را ایفا می‌کند. به‌طور کلی می‌توان گفت مهندسی کنترل حلقه اتصال میان مهندسی برق و رشته‌های دیگر می‌باشد. امروزه مهندسی کنترل به صورت بخش اصلی و مهمی از فرایندهای صنعتی و تولیدی درآمده‌است.
به کمک این علم می‌توان به عملکرد بهینه سیستم‌های پویا، بهبود کیفیت و ارزان‌تر شدن فراورده‌های تولیدی، گسترش میزان تولید، ماشینی کردن بسیاری از عملیات تکراری و خسته‌کننده دستی و نظایر آن دست یافت. هدف سیستم کنترل‌کننده عبارت است از کنترل خروجی‌ها (مانند زاویه حمله موشک هدایت‌شونده) به روش معین به کمک ورودی‌ها (مانند سیگنال دریافتی از رادار موشک) از طریق اجزای سیستم کنترل که می‌تواند شامل اجزای الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی به تناسب نوع سیستم کنترل باشد.
یکی از مفاهیم پرکاربرد در این رشته مفهوم پسخورد (فیدبک) می‌باشد. پسخورد در واقع اندازه‌گیری متغیرهای خروجی و استفاده از این متغیرهای اندازه‌گیری شده برای اصلاح متغیر ورودی سیستم می‌باشد. برای مثال، در یک سیستم سرمایشی، یک سنسور، که در واقع یک دماسنج است، دمای اتاق را اندازه‌گیری می‌کند تا سیستم بتواند از دما مطلع شده و از کاهش یا افزایش بیش از اندازه دما جلوگیری کند. با استفاده از سیستم‌های دارای پسخورد می‌توان بسیاری از فرایندهای صنعتی را به صورت خودکار کنترل کرد. اتوماسیون صنعتی بخشی از رشته کنترل می‌باشد که بر پایه سیستم‌های فیدبک‌دار توانسته‌است صنعت مدرنی را پایه‌گذاری کند.
گفتنی است که گرایش کنترل دارای زیر بخش‌های متنوعی مانند کنترل خطی، کنترل غیرخطی،کنترل مقاوم،کنترل تطبیقی،کنترل دیجیتال،کنترل فازی و غیره‌است.
از دروس اصلی این گرایش مهندسی برق می‌توان به کنترل دیجیتال و کنترل غیرخطی، کنترل مدرن، کنترل صنعتی، ابزار دقیق، اصول میکروکامپیوتر، ترمودینامیک، مبانی تحقیق در عملیات، سیستم‌های کنترل پیشرفته و سیستمهای کنترل خطی اشاره کرد.
وضعیت تحصیل در مقاطع بالاتر از کارشناسی
فارغ‌التحصیل در مقطع کارشناسی برق که مدرک خود را در یکی از چهار گرایش الکترونیک، مخابرات، قدرت و کنترل می‌گیرد، می‌تواند در یکی از این گرایشها (اختیاری) یا رشته‌ای که برق زیر مجموعه‌ای برای آن تعریف شده، ادامه تحصیل نماید. این رشته به صورت: مهندسی برق- الکترونیک (سه گرایش طراحی آنالوگ، مدارهای دیجیتال، ادوات میکرو و نانو الکترونیک)، برق- قدرت، برق- مخابرات (شامل گرایش‌های: میدان و مایکروویو نوری، سیستم، رمز، شبکه) برق- کنترل، مهندسی پزشکی (گرایش بیوالکتریک)، مهندسی مکاترونیک (شامل گرایش‌های:انسان جنبی ماشین،کنترل، رباتیک) مهندسی هسته‌ای (دو گرایش مهندسی رآکتور و مهندسی پرتو پزشکی، مهندسی کامپیوتر (معماری کامپیوتر، هوش مصنوعی و رباتیک) است. برای تحصیل در مقطع دکترای تخصصی، می‌توان، در هر یک از زیرشاخه‌های تخصصی‌تر گرایشهای یاد شده میزان مورد نیاز واحدها را اخذ کرد و رساله دکتری را در همان موضوع خاص ارائه داد. مسلم است این زیر شاخه‌ها، گرایشهای تخصصی‌تر این چهار گرایش است. رشته برق به دلیل کاربردی بودن آن در بسیاری از علوم مهندسی دیگر، برای فارغ التحصیلان امکان تحصیل در بسیاری گرایشها و دانشها را فراهم می‌کند.