مهندسی برق (به انگلیسی: Electrical engineering) 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 ؛ و 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 و یا برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند.^[۱]

فراگیرتر شدن استفاده از انرژی الکتریکی و افزایش نیاز به انتقال و نیز پردازش سریع‌تر اطلاعات، مهندسی برق را به یکی از مهم‌ترین و پرتقاضاترین زمینه‌های مهندسی و صنعت تبدیل کرده است.

تاریخچه

الکتریسیته یکی از موضوعات جذاب علمی از اوایل قرن هفدهم بوده است. یکی از اولین مهندسین برق احتمالاً ویلیام گیلبرت بوده است که اولین وسیلۀ اندازه گیری الکتریسیته یا الکتروسکوپ را طراحی کرد و آن را ورسوریوم(versorium)نامید. همچنین او اولین کسی بود که به طور واضح مغناطیس و الکتریسیتۀ ساکن را تمیز داد.

تا پیش از حدود دهۀ ۱۸۸۰، مباحث مربوط به الکتریسیته و کاربردهای آن، زیرمجموعه‌ای از فیزیک تلقی می‌شد. این رشته اولین بار در نیمۀ دوم قرن نوزده میلادی ،بعد از تجاری سازی تلگراف ، تلفن و توزیع برق و استفاده های آن به عنوان یک شغلِ شناخته شده مطرح شد. از حدود سال ۱۸۸۵ برخی دانشگاه‌ها و موسسات فناوری مانند دانشگاه کرنل و یا موسسۀ فناوری ماساچوست، رشتۀ کارشناسی مهندسی برق را ایجاد نمودند. دانشگاه فنی دارمشتات اولین دانشگاهی بود که در سال ۱۸۸۲ دانشکدۀ مهندسی برق را ایجاد کرد و پس از آن دانشگاه کرنل و دیگر دانشگاه‌ها این رشته را ارائه نمودند.^[۲]

گرایش‌های مقطع کارشناسی در ایران

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 ـ در برخی دانشگاه‌ها)

در دانشگاه های صنعتی شریف٬ تهران و صنعتی امیرکبیر گرایش سیستم‌های دیجیتال (که در تقسیم‌بندی پنج‌گانه ٬ زیرمجموعه‌ای از گرایش الکترونیک محسوب می‌شود) به ۵ گرایش فوق اضافه شده‌است در دانشگاه صنعت آب و برق٬ 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 (عمدتاً در دورۀ 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

مدار های الکتریکی ۱و۲ ، سیگنال ها و سیستم ها ، الکترونیک ۱و۲ ،مدار های منطقی ، الکترومغناطیس ، معادلات دیفرانسیل ، ریاضیات مهندسی ، آمار و احتمالات ، ماشین های الکتریکی ۱و۲ ، بررسی سیستم های قدرت ۱ برخی از دروسی است که دانشجویان تمام گرایش های مهندسی برق در مقطع کارشناسی موظف به گذراندن آن هستند.

گرایش قدرت

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 قدیمی ترین 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 بهره‌بردای 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

الکترونیک علمی است که به بررسی حرکت الکترون در خلاء در مواد رسانا و 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 متأسفانه به علت عدم توانایی رقابت در بازار با برند های مشهور موجود، در ایران درسطح 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

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 ساخته است.از آثار گسترش مهندسی مخابرات می‌توان به رادیو و تلویزیون٬ اینترنت و ماهواره‌های ارتباطی و یا تحقیقاتی(مخابرات فضایی) اشاره کرد.

مهندسی مخابرات از دو قسمت عمده‌ی مخابرات میدان و سیستم‌های مخابراتی تشکیل می‌شود. البته با توجه به گستردگی گرایش سیستم امروزه در برخی از دانشگاه ها مانند دانشگاه صنعتی شریف ، دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی اصفهان گرایش های رمز و شبکه از گرایش سیستم در مقطع کارشناسی ارشد جدا شده است.دروس اصلی گرایش مخابرات در مقطع کارشناسی عبارت است از : میدان و امواج ، مایکروویو و آنتن ، فیلتر وسنتز مدار ( مرتبط یا مخابرات میدان ) مخابرات دیجیتال و اصول پردازش سیگنال های گسسته در زمان ( مرتبط با گرایش سیستم های 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 و یا یک فیبر نوری در مخابرات فیبر نوری باشد) و فرستنده و گیرنده (که می‌تواند یک آنتن ماهواره در مخابرات ماهواره‌ای و یا یک مدار الکترونیکی در مخابرات فیبر نوری باشد) سروکار دارند. به عبارت دیگر ٬ می‌توان گفت مهندسین میدان به‌طور عمده با جنبه‌ی فیزیکی چگونگی انتقال امواج حاوی اطلاعات ٬ از نقطه‌ای به نقطه‌ی 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 روش های عددی در الکترومغناطیس .

گرایش سیستم‌های مخابراتی

مساله پردازش و بهینه‌سازی این سیگنال اطلاعات ــ جدای از اینکه شکل فیزیکی این سیگنال چگونه است ــ موضوع مهندسی سیستم‌های مخابراتی است. در گرایش مخابرات سیستم٬ به طور عمده با سیگنال اطلاعات به صورت یک تابع ریاضی برخورد می‌کنند.در این مبحث ، مهندسان با ریاضیات مربوط به نظریه اطلاعات و نیز پردازش سیگنال برای آماده‌سازی آن جهت ارسال از طریق مورد نظر(آنتن٬ فیبر نوری٬ موج‌بر و …) ٬و در کل ٬ طراحی و بهبود سامانه‌های مخابراتی جهت دستیابی به سرعت و امنیت و قابلیت اطمینان بیشترسروکار دارند. برای مثال می‌توان به بهینه‌سازی و مقاوم سازی سیگنال دربرابر نویز و رمزگذاری اطلاعات جهت امنیت ارسال و بهینه‌سازی آن اشاره کرد. بدین‌ترتیب مهندسی سیستم‌های مخابراتی ٬ رابطه زیادی با ریاضیات کاربردی دارد.

دروس گرایش سیستم های 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 سیستم های رادار ، مخابرات ماهواره ای ، پردازش صحبت ، پردازش تصویر و ویدئو ، پردازش زمان – فرکانس ، مخابرات نوری ، فیبر نوری ، انتقال داده و شبکه های کامپیوتری ، شبکه مخابرات داده.

گرایش مخابرات رمز

این گرایش برای اولین بار در ایران در سال ۱٣٧٨ در پژوهشکده ی الکترونیک دانشگاه شریف وابسته به دانشکده ی برق این دانشگاه،پذیرش دانشجو در مقطع کارشناسی ارشد را آغاز کرد. عمده فعالیت محققین مخابرات رمز در حوزه ارسال و دریافت امن اطلاعات می باشد که به طور کلی شامل امنیت در پردازش سیگنال ، امنیت در شبکه های کامپیوتری ، امنیت در الگوریتم های رمزنگاری و امنیت در انتقال اطلاعات می باشد.

دروس اصلی این گرایش در دانشگاه صنعتی شریف شامل ریاضیات رمزنگاری ، رمزنگاری مقدماتی و پیشرفته ، مخابرات پیشرفته و فرایند های تصادفی است. ضمناً دانشجویان می توانند دروسی مانند نهان سازی اطلاعات ، تئوری کدینگ و اطلاعات ، تئوری اطلاعات شبکه ، شبکه های کامپیوتری و… را به عنوان دروس اختیاری اخذ کنند

گرایش کنترل

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، زاویه‌ی چرخش بازوی ربات و… باشد. به عنوان یک مثال ساده می‌توان کنترل زمان اوج گیری 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. به طور 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 زاویه‌ی حمله‌ی 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 اندازه گیری متغیرهای خروجی و استفاده از این متغیرهای اندازه گیری 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 پایه گذاری 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، سیستم های کنترل پیشرفته و سیستمهای کنترل خطی اشاره کرد.

وضعیت تحصیل در مقاطع بالاتر از کارشناسی

فارغ التحصیل 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 گرایش های: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 تخصصی تر 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.