הנדסת חשמל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מהנדסי חשמל מתכננים מגוון של התקנים. תכנון ה-iPod (בתמונה) דרש ידע מתת-תחומים מגוונים של הנדסת חשמל כגון עיבוד אותות, אלקטרוניקה והנדסת מחשבים.

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 [1]. 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, לווינים, נגני מוזיקה מסוגים שונים, טלפונים סלולריים ומחשבים.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

התקופה המוקדמת[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.

תומאס אדיסון בנה את רשת החשמל הגדולה הראשונה בהיסטוריה

באותן שנים, לימוד החשמל נחשב כתת-תחום של פיזיקה. 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. [2] אוניברסיטת מיזורי הקימה ב-1886 את הפקולטה להנדסת חשמל הראשונה בארצות הברית.

במהלך תקופה זו, חלה עלייה בכמות העבודות שהצריכו ידע בהנדסת חשמל. 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 ליצור 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניקולה טסלה

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) [3]. 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 [4] . בשנת 1920 המציא אלברט הול מגנטרון אשר ישמש אחר כך לפיתוח המיקרוגל בשנת 1946 על ידי פרסי ספנסר [5][6] . 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 [7]. בשנת 1941 הציג קונראד צוזה את ה-Z3, המחשב הפועל, בר התכנות, הראשון בעולם [8] . 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 [9]. המצאת הטרנזיסטור בשנת 1947 על ידי ויליאם שוקלי, ג'ון ברדין ווולטר ברטיין 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 [10]. 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. [11]

כלים ועבודה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ראדומים. ראדומים משמשים ככיסוי להגנת אנטנות מפגעי מזג האויר, ועשויים מחומרים שלא מפריעים למעבר גלי רדיו.
אופק 3 הלוויין הישראלי מכיל מערכות מחשוב ואלקטרוניקה רבות

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.

תת-תחומים בהנדסת חשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]

PDA.jpg

מחשבים[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – הנדסת מחשבים

הנדסת מחשבים קשורה בתכנון של מחשבים ומערכות מחשבים. הדבר כרוך לעתים בתכנון של חומרה חדשה. מהנדסי מחשבים גם עובדים לעתים בתכנון התוכנה של המערכת. למרות עובדה זו, תכן מערכות תוכנה מורכבות מהווה מטלה שקשורה בתחום הנדסת התוכנה אשר נחשב לרוב כתחום נפרד. מחשבים שולחניים הם חלק קטן מההתקנים שמהנדס מחשבים עשוי לעבוד עמם שכן ארכיטקטורות דמויות מחשב נפוצות כיום גם במגוון רחב של התקנים כגון : קונסולות משחקי ווידאו ונגני DVD.

תקשורת[עריכת קוד מקור | עריכה]

רשת מחשבים
תקשורת לווינית היא סוג של עיסוק שבו עשוי מהנדס חשמל להיות מעורב
Postscript-viewer-shaded.png ערכים מורחבים – הנדסת מערכות תקשורת

הנדסת מערכות תקשורת מתמקדת בשידור של נתונים דרך קו תקשורת כגון כבל קואקסיאלי, סיב אופטי או בקשר רדיו דרך חלל האוויר. קשר רדיו דורש שהמידע המועבר יהיה מקודד בגל נושא על מנת שהנתונים ימצאו בתדר שידור מתאים. שיטה זו ידועה כאפנון. שיטות אפנון ידועות הן אפנון משרעת ואפנון תדר. סוג האפנון משפיע על מחיר המערכת וביצועיה. על המהנדס מוטלת המשימה לאזן בין שני גורמים אלו.

לאחר קביעת מאפייני השידור של מערכת, המהנדסים מתכננים את המשדר ואת המקלט הדרושים למערכת. שיקול עיקרי בתכנון של משדרים הוא ההספק החשמלי שלהם והדבר קשור לעוצמת האות שלהם. אם עוצמת האות של משדר אינה מספקת אזי לאות הנקלט במקלט יצטרפו הפרעות ורעשים, שעלולים לשבש או למנוע את קבלת המידע הרצוי.

בתוך תחום התקשורת קיים נושא תקשורת הנתונים, העוסק בהכרת ובהבנת תהליכים המאפשרים העברת נתונים בין מחשבים ואמצעים נוספים. מהנדסים בתחום זה עוסקים בתכנון רשתות מחשבים ובהערכת מדדים שונים המעידים על ביצועיהן כגון קצב נתונים, כמות משתמשים, עמידה בעומסים, ויכולת אוטומטית להתגברות על תקלות.

מיקרואלקטרוניקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Eprom-detail.jpg
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מיקרואלקטרוניקה

מיקרואלקטרוניקה עוסקת בתכנון של רכיבים אלקטרוניים מזעריים לצורך שימוש במעגל משולב או לשימוש כרכיב אלקטרוני העומד בפני עצמו. רכיבים נפוצים הם המוליך למחצה והטרנזיסטור. ראוי לציין שכל הרכיבים האלקטרוניים נגדים, קבלים וסלילים יכולים להיווצר ברמת המיקרו.

רוב הרכיבים מתוכננים באמצעות שילוב של סיליקון עם יסודות כימיים נוספים כדי ליצור את האפקט האלקטרומגנטי הרצוי. זו הסיבה שמיקרואלקטרוניקה מצריכה ידע במכניקת הקוואנטים ובכימיה.

עיבוד אותות[עריכת קוד מקור | עריכה]

Minidisc Sony MZ1.jpg
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – עיבוד אותות

עיבוד אותות הוא תחום העוסק בניתוח ועיבוד של מידע המצוי באותות. אותות יכולים להיות אותות אנלוגיים או דיגיטליים. באות אנלוגי האות משתנה ברציפות בהתאם למידע, ואילו בדיגיטלי האות משתנה בהתאם לסדרה של ערכים דיסקרטיים שמייצגים את המידע. עבור אותות אנלוגיים, עיבוד אותות עשוי לערב מגבר ומסנן חשמלי או אם מדובר בתחום התקשורת אפנון של האותות. עבור אותות ספרתיים עיבוד אותות ספרתי עשוי לכלול דחיסת נתונים, גלוי שגיאה ותיקון שגיאה של אותות דגומים.

בקרה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Space Shuttle Columbia launching.jpg

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

מכטרוניקה הוא תחום בהנדסה שעוסק בנקודה שבה מתכנסות מערכות אלקטרוניות ומכניות. מערכות אלקטרומכניות כאלה נפוצות ביותר. דוגמאות הן למשל מערכות יצור אוטומאטיות, מערכות מיזוג אוויר ותת מערכות של מטוסים ומכוניות.

מקובל לראות במכטרוניקה תחום העוסק במערכות מאקרו 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. [12]

הנדסה ביו רפואית הוא תחום העוסק בתכן ציוד רפואי מתקדם.

הכשרה של מהנדסי החשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

אגודות מקצועיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקצועות מוכלים או בעלי זיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

נושאים קשורים[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • הכול אודות מעגלים למד הכול אודות בניית מעגלים חשמליים ובניית מוצרים באמצעות מעגלים אלה.(אנגלית)
  • מוזיאון וירטואלי של ארגון IEEE מציג הרבה מונחים בסיסיים באלקטרוניקה וחשמל באמצעות דוגמאות המחשות וראיונות
  • OpenCourseWare של MIT מבט מעמיק לנבכי הנדסת החשמל באמצעות קורסים מקוונים המכילים הרצאות וידאו מבית MIT בארצות הברית.

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ What is the difference between electrical and electronic engineering?. FAQs - Studying Electrical Engineering. אוחזר ב־February 4, 2005.
  2. ^ Welcome to ECE!. Cornell University - School of Electrical and Computer Engineering. אוחזר ב־December 29, 2005.
  3. ^ Leland Anderson, "Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony, and Transmission of Power", Sun Publishing Company, LC 92-60482, ISBN 0-9632652-0-2 (ed. excerpts available online)
  4. ^ History of Amateur Radio. What is Amateur Radio?. אוחזר ב־January 18, 2006.
  5. ^ Albert W. Hull (1880 - 1966). IEEE History Center. אוחזר ב־January 22, 2006.
  6. ^ Who Invented Microwaves?. אוחזר ב־January 22, 2006.
  7. ^ Early Radar History. Peneley Radar Archives. אוחזר ב־January 22, 2006.
  8. ^ The Z3. אוחזר ב־January 18, 2006.
  9. ^ The ENIAC Museum Online. אוחזר ב־January 18, 2006.
  10. ^ Electronics Timeline. Greatest Engineering Achievements of the Twentieth Century. אוחזר ב־January 18, 2006.
  11. ^ Computing History (1971 - 1975). אוחזר ב־January 18, 2006.
  12. ^ MEMS the world!. IntelliSense Software Corporation. אוחזר ב־July 17, 2005.