الهندسة الكهربائية

مفهوم الهندسة الكهربائية:

 هي إحدى العلوم التي تهتم بدراسة الطاقة وخاصة الطاقة الضوئية، بالإضافة الى دراسة سبل وطرق توليد الطاقة الضوئية لسد الاحتياجات التي تتزايد يوم بعد يوم في هذا العالم؛ وذلك نظراً للطلب المتزايد على الطاقة الكهربائية على وجه العموم وبالخصوص على الإضاءة كمتطلب رئيسي، كما وتحمل على عاتقها تأهيل وتعليم وتدريب كل من يغوص في أعماق هذا العلم الواسع والدقيق والذي يتطلب المهارة الفنية والتقنية.

إلى جانب وجوب توافر المخزون العلمي الهائل بهذا الخصوص، والذي يتم تحصيله بواسطة دراسة معمقة  لعلوم الفيزياء وخاصةً الفيزياء الكهرومغناطيسية والرياضيات إضافة الى عدة علوم أخرى تختص بعلم الكهرباء، وعند التعمق جيداً في هذا العلم، نجد بأن الهندسة الكهربائية هي علم لا ينطوي ولا ينحسر بالطاقة الضوئية، ولكن هو علم واسع المدى وواسع الأفق قد يصل احتياجه إلى أدق الأمور التي نواجها في حياتنا اليومية من نقل ومواصلات وصناعة، أجهزة منزلية، معدات طبية حساسة لا يمكن الاستغناء عنها من أجل ديمومة الحياة على الشكل الذي نريد.

 ولذلك بدأت الهندسة الكهربائية بالتفرع الى عدة تخصصات متنوعة، كهندسة القوى الكهربائية والتحكم، والتي مهمتها الأساس توليد الطاقة الكهربائية من طرق متعددة سواء طبيعية او صناعية، ومن ثم نقل وتوزيع هذه الطاقة حتى تصل الى المناطق المختلفة، ولتحقيق أوسع مدى لانتشار الكهرباء في شتى ارجاء الأرض.

فيما بعد تم استحداث تخصص هندسة الاتصالات والالكترونيات، والذي بدوره يهتم بدراسة وهيكلة شبكات الاتصال التقليدية والحديثة بشكل دقيق لضمان تحقيق الغالية من الثورة التكنولوجية التي يمر بها العالم، كما أن هندسة الإلكترونيات تعتبر علم دقيق وملازم لهندسة الاتصالات، ويدخل ضمن تكنولوجيا تصنيع الأجهزة الخاصة المستخدمة في ضبط وقياس ومعايرة جميع معدات أفرع الهندسة الكهربائية بأكملها.
أصبحت هندسة الحاسوب تدخل كوسيط تفاعلي، وبشكل ذكي ومنظم لتنفيذ الجانب العملي لمختلف أنواع العلوم التي تتطلب وتحتاج الى نمذجة ومحاكاة الأشياء على الواقع وخاصة تكوين وصناعة الروبوتات، وخاصة الروبوتات التي تستخدم في المجالات الصناعية الخطرة.

إضافةً الى ذلك هندسة الحاسوب، والتي تهتم بدراسة معمارية الأنظمة الذكية في الجانبين المادي والتقني، وإدارة الحاسبات التي تعتبر الحجر الأساس لكافة أنواع وأشكال التكنولوجيا الحديثة، بالإضافة الى إرساء قاعدة البيانات الخاصة بالشركات والمنظمات الحكومية بشتى فروعها الأمنية والإدارية، وحتى التعليمية منها على سبيل المثال.

فيما بعد ظهرت الحاجة الى دمج بعض علوم الهندسة المختلفة؛ وذلك نظراً للتطور التكنولوجي الهائل فأصبحنا ندرس ما يسمى بهندسة “الميكاترونكس”، التي تحمل في طياتها العلم الزاخر والمفيد في سبيل القيادة والتحكم في الأجهزة الكهربائية والآلات الصناعية الضخمة لتسهيل التعامل معها وتلاشي خطورتها الكبيرة، وفي بعض المجالات أيضا زيادة معدل الإنتاج.

تاريخ الكهرباء:

منذ نشأة الكهرباء، لا توجد هناك لحظة حاسمة واحدة، ولكن الطريقة التي انتجت  فيها الكهرباء وتوزعت، وتم استخدامها في الأجهزة الكهربائية التي نستخدمها اليوم هي تتويج لما يقرب من 300 عام من البحث والتطوير والدراسة، حيث بدأت الجهود لفهم الكهرباء في القرن الثامن عشر الميلادي، وعلى مدار الـ 150 عاماً الماضية، قام العشرات من “علماء الطبيعة”، في كل من إنجلترا وأوروبا وأمريكا المستعمرة آنذاك، ثم الولايات المتحدة لاحقاً بتحليل الكهرباء في الطبيعة، لكن إنتاجها كان شبه مستحيا او يندرج خارج الطبيعة.

لم يحدث هذا على نطاق واسع حتى أواخر القرن التاسع عشر الميلادي، ولكن الحاجة للاستخدام التجاري الواسع للكهرباء، دفع باحثون دوليون منخرطون في البحث العلمي، بالإضافة الى رجال الأعمال الرياديين الذين تعاونوا مع الباحثين في عملية الاستكشاف عن الكهرباء، لكن وفيما بعد فقد تم سرقة وبيع هذه المنتجات من طرف رجال الاعمال على حساب أفكار الاخرين.

أبرز المساهمين في علم الكهرباء في العصر الحديث:

• أندري أمبير: وهو عالم فيزيائي فرنسي ساهم في تطوير النظام العالمي للوحدات ما بين عامي
  (1775م -1836م).

• جراهام بيل: وهو عالم اسكتلندي قام باختراع الهاتف، حيث اهتم بكيفية نقل الكهرباء للصوت ما بين عامي (1847م – 1922م).
  

• فرديناند براوم: وهو عالم فيزيائي الماني حائز على جائزة نوبل لمساهمته في تطوير الابراق الراديوي خلال فترة (1850م -1918م).
  

• بنجامين فرانكلين: وهو عالم ودبلوماسي امريكي أثبت ان البرق والكهرباء متماثلان خلال فترة (1706م -1790م).
  

•  أنطونيو أناستاسيو فولتا: عالم فيزياء إيطالي اخترع البطارية الكهربائية. تم تسمية الوحدة الكهربائية “فولت” بفترة (1745م-1827م).
  

 مفاهيم خاصة في الهندسة الكهربائية:

الذرة: هي المكون الأساس للمادة بشكل عام، وتعتبر نقطة البداية في دراسة شتى العلوم وخاصة علوم الفيزياء والكيمياء، حيث تتكون الذرة من مجموعة من الجسيمات، كل منها يحمل شحنة كهربائية مختلفة، البروتونات هي عبارة عن أجسام تحمل الشحنة الموجبة وتوجد في داخل ما يسمى النواة والتي تعتبر مركز الذرة، تحتوي أيضاً النواة على جسيمات متعادلة كهربائياً تسمى بالنيوترونات (صفرية الشحنة).
بالإضافة الى المدارات التي تتوزع فيها الالكترونات بشكل منظم وتحمل الشحنة السالبة، يعتبر المعيار الأساس لاستقرار المادة هو استقرار مركز الذرة كهربائياً وهو النواة.

الشحنة الكهربائية : هي إحدى خصائص المادة والتي تكون محمولة على الجسيمات المختلفة لتلك المادة، وهي عبارة عن نوعان (سالبة أو موجبة )، تتنافر في حالة التشابه وتتجاذب عند الاختلاف وحدة قياسها تسمى الكولوم.

التيار الكهربائي (شدة التيار): هو كمية الإلكترونات التي تمر من خلال الموصل الكهربائي، وذلك بسبب تواجد ما يسمى بالجهد الكهربائي وهو المعدل الزمني لمرور الالكترونات خلال ثانية واحدة، ويقاس بوحدة الأمبير (كولوم/ثانية).

الجهد الكهربائي: هو الشغل المبذول لتحريك الإلكترونات ما بين نقطتين على أطراف الموصل الكهربائي، ويقاس بوحدة الفولت.

المقاومة الكهربائية: هي الإعاقة والممانعة التي تواجه التيار الكهربائي خلال فترة مروره في الموصل الكهربائي وتقاس بوحدة الأوم.

المقاومة النوعية: تعرف على أنها مقاومة موصل طوله (1متر)، ومساحة مقطعة العرضي (1مم)، عند درجة حرارة تبلغ (23) درجة مئوية.

دارة القصر الكهربائي: هي الحالة التي يقصر (يغير) فيها التيار مساره متفادي ومبتعداً عن مقاومة الدارة الكهربائية ويؤدي إلى زيادة التيار لدرجة قياسية وبالتالي تلامس الطرف المحايد مع الطرف الحي.

القدرة الفعالة ( الحقيقية): وهي القدرة التي يتم استهلاكها على شكل حرارة في المقاومات، ووحدة قياسها هي الواط.

القدرة غير الفعالة (الوهمية): وهي القدرة التي يتم استخدامها داخل الملفات الكهربائية على شكل مجال مغناطيسي ووحدة قياسها هي الفار الــ(var).
القدرة الظاهرية: وهي مجمل القدرة الكهربائية التي تم توليدها وسحبها من المصدر الرئيسي، ورياضياً هي المجموع الجبري لكل من القدرة الفعالة والقدرة الوهمية معاً وتقاس بوحدة فولت أمبير.
الأحمال الفعلية: هي الأحمال التي تستهلك القدرة الكهربائية على شكل حرارة، وتكون موجودة داخل المقاومات.

الأحمال السعوية: وهي الأحمال التي تحول القدرة الكهربائية في داخلها الى مجال كهربائي ساكن، مثل الأحمال داخل المكثفات.
الأحمال الحثية “التحريضية”: وهي الأحمال التي تحول القدرة الكهربائية الى طاقة مغناطيسية وتكون داخل الملفات.

النواقل الكهربائية ( الموصلات الكهربائية): هي عبارة عن مواد فلزية كالنحاس والحديد والألمنيوم، تكون فيها الإلكترونات حرة الحركة لا تتعرض لمقدار كبير من المقاومات خلال حركتها.
العوازل الكهربائية (اللافلزات): هي مواد تكون فيها الالكترونات عبارة عن أعداد قليلة جداً كالزجاج والمطاط والخشب.

المجال المغناطيسي: هو المنطقة المحيطة للمادة نتيجة لتأثرها بالتدفق المغناطيسي.

التدفق المغناطيسي: ويسمى أيضاً “بالفيض المغناطيسي”، وهو عبارة عن مجموعة من الخطوط الوهمية التي تخرج من أقطاب المغناطيس ويقاس بوحدة الويبر.

المحرك الكهربائي: هو أحد أهم العناصر الكهربائية والتي تعمل على تحويل الطاقة الكهربائية المستمدة من المصدر الى طاقة حركية، وبواسطة ملف كهربائي يعمل على تقطيع مسار التيار الكهربائي وتحويله الى حركة مغناطيسية، يمكن الاستفادة منها في شتى التطبيقات.

المولد الكهربائي: هو عبارة عن الة تعمل بشكل رئيسي على تحويل الطاقة الحركية المستمدة من مؤثر خارجي، يمكن أن يكون طبيعي او غير طبيعي، وتحويلها الى طاقة كهربائية.

المحول الكهربائي: هو عبارة عن آلة ساكنة تحتوي على قالب حديدي ملفوف بملفات من النحاس له مدخل ومخرج يعمل على تغيير مستوى القدرة الكهربائية، والتي تكون على الملف الابتدائي الى مستوى آخر واخراجه من الملف الثانوي، مع ضرورة الحفاظ على التردد الكهربائي دون تغيير.

جهد الحث الذاتي: هو الجهد الكهربائي الذي يتولد داخل ملفات المحول الكهربائي وذلك نتيجة للتغيير الذي يحدث في التدفق المغناطيسي.
التردد الكهربائي: هو عدد مرات تكرار الموجة الكهربائية لنفسها، وذلك خلال الثانية الواحدة بشرط أن تكون بنفس الشكل ونفس الوقت ويقاس التردد بوحدة تسمى الهيرتز.