كاربرد رياضي در مهندسي برق

رياضيات چيست؟
آيا ميتوان اين علم را در چند جمله معرفي كرد ؟ بدون شك معرفي علوم پايه بخصوص علم رياضي كه ما در همه علوم است، كار بسيار دشواري است. زيرا اين علم از يك سو ذهني و تجريدي و از سوي ديگر عملي ميباشد و در نتيجه يك تعريف بايد كلي باشد تا بتواند تمام ابعاد دانش رياضي را در بر بگيرد .براي مثال « آندروگليسون» رياضي دان آمريكايي در معرفي اين علم مي گويد:
«رياضيات علم نظم است و موضوع آن يافتن ، توصيف و درك نظمي است كه در وضعيتهاي ظاهراََ پيچيده نهفته است و ابزارهاي اصولي اين علم ، مفاههيمي هستند كه ما را قادر ميسازند تا اين نظم را توصيف كنيم.»

دكتر ديبايي استاد رياضي دانشگاه تربيت معلم تهران نيز در معرفي اين علم ميگويد:
« علم رياضي، قانونمند كردن تجربيات طبييعي است كه در گياهان و بقيه مخلوقات مشاهده ميكنيم.علم رياضيات اين تجربيات را دسته بندي وقانونمند كرده وهمچنين توسعه ميدهد.»
رياضيات علم نظم است و موضوع آن يافتن، توصيف و درک نظمي است که در وضعيت‌هاي ظاهرا پيچيده‌ نهفته است و ابزارهاي اصولي اين علم ، مفاهيمي هستند که ما را قادر مي‌سازند تا اين نظم را توصيف کنيم» .

دکتر ديبايي استاد رياضي دانشگاه تربيت معلم تهران نيز در معرفي اين علم مي‌گويد:
«علم رياضي، قانونمند کردن تجربيات طبيعي است که در گياهان و بقيه مخلوقات مشاهده مي‌کنيم . علوم رياضيات اين تجربيات را دسته‌بندي و قانونمند کرده و همچنين توسعه مي‌دهند.»
دکتر رياضي استاد رياضي نيز در معرفي اين علم مي‌گويد: «رياضيات علم مدل‌دهي به ساير علوم است. يعني زبان مشترک نظريات علمي ساير علوم ، علم رياضي مي‌باشد و امروزه اگر علمي را نتوان به زبان رياضي بيان کرد، علم نمي‌باشد.»

رياضيات بر خلاف تصور بعضي از افراد يکسري فرمول و قواعد نيست که هميشه و در همه‌جا بتوان از آن استفاده کرد بلکه رياضيات درست فهميدن صورت مساله و درست فکر کردن براي رسيدن به جواب است و براي به دست آوردن اين توانايي ، دانشجو بايد صبر و پشتکار لازم را داشته باشد تا بتواند حتي به مدت چندين ساعت در مورد يک مساله رياضي فکر کرده و در نهايت با ابتکار و خلاقيت آن را حل کند.
كاربرد انواع شاخه هاي رياضي در رشته هاي مختلف
ریاضیات محض بیشتر به قضایا و استدلالها ، منطق موجود در آنها و چگونگی اثباتشان می‌پردازد اما در ریاضیات کاربردی چگونه استفاده کردن و به کارگرفتن قضایا، آموزش داده می‌شود، به عبارت دیگر در این شاخه، کاربرد ریاضیات در مسائل موجود در جامعه بیان می‌گردد»

«وقتی صحبت از ریاضی محض می‌شود نباید تصور کرد که تنها باید در گوشه‌ای نشست و به حل مسائل ریاضی پرداخت بلکه این علم ، بخصوص در مدارج بالا، ارتباط نزدیکی با طبیعت دارد به عبارت دیگر ایده‌های ریاضی از ذهن پژوهشگران نمی‌روید بلکه ریاضیدانها غالبا الهام خود را از طبیعت می‌گیرند و به قول «ژان باپتیت فوریه» ریاضیدان مشهور قرن نوزدهم فرانسه «تعمق در طبیعت، پربارترین منابع اکتشافات ریاضی است.»

عموما ریاضیات کاربردی به شاخه‌ای از ریاضی گفته می‌شود که کاربرد علمی مشخصی داشته باشد برای مثال در اقتصاد، کامپیوتر، برق ،‌ فیزیک و یا آمار و احتمال کاربرد داشته باشد و ریاضی محض نیز به شاخه‌ای گفته می‌شود که به نظریه‌پردازی ریاضی می‌پردازد اما باید توجه داشت که امروزه این دو گرایش آن‌چنان در هم ادغام شده‌اندکه مرزی را نمی‌توان بین آنها مشخص کرد.

كاربرد رياضي در مهندسي برق
انرژي اگر بنيادي ترين ركن اقتصاد نباشد، يكي از اركان اصلي آن به شمار مي آيد و در اين ميان برق به عنوان عالي ترين نوع انرژي جايگاه ويژه اي دارد. تا جايي كه در دنياي امروز ميزان توليد و مصرف اين انرژي در شاخه توليد، شاخص رشد اقتصادي جوامع و در شاخه خانگي و عمومي يكي از معيارهاي سنجش رفاه محسوب مي شود

.دانش آموختگان اين رشته مي توانند در زمينه هاي طراحي، ساخت، بهره برداري، نظارت، نگهداري، مديريت و هدايت عمليات سيستم ها عمل نمايند.
گاه یک تئوری کاملا محض وارد مرحله کاربردی شده و چون در عمل با مشکل روبرو می‌شود، بار دیگر به حوزه تئوری برمی‌گردد و در نهایت پس از رفع نقایص، دوباره وارد مرحله کاربردی می‌شود. یعنی یک تعامل و ارتباط دوجانبه‌ای بین ریاضی کاربردی و محض وجود دارد و هریک از این دو شاخه، از تجربیات شاخه دیگر به بهترین نحو استفاده می‌کند و به همین دلیل یک ریاضیدان موفق باید از هر دو شاخه اطلاع داشته باشد.

مهندسی برق بر دو پایه فیزیک و ریاضیات تکیه نموده و ضمن امتزاج مناسب آنها با فنون مهندسی، کاربرد وسیعی در علوم و تکنولوژی یافته است. رشته مهندسی برق به واسطه ماهیت فراگیر خود، هر روز شاخه های جدیدتری از صنعت را گسترش داده و روش های نوینی را پیش روی می گشاید.

خودکارسازی، تولید وانتقال انرژی، ماشین های محاسب و پردازش گرهای الکترونیکی، ارتباطات زمینی، سنجش پزشکی، ابزار الکترونیک هواپیمایی و رادارها تنها برخی از زمینه های کاربردی هستند که در قلمرو مهندسی برق قرار دارند. مهندسی برق با وجود آن که از فنون جدید مهندسی است، در اندکی بیش از یک قرن سابقه خود، وسیع ترین کاربردها را در میان رشته های مهندسی یافته و امروزه کمتر ابزار، قطعه یا سیستمی را می توان یافت که فاقد قطعات الکتریکی یا الکترونیکی باشد.كند و كاو در مهندسي برق

“يكي از بهترين تعريف هايي كه از مهندسي برق شده است، اين است كه محور اصلي فعاليت هاي مهندسي برق، تبديل يك سيگنال به سيگنال ديگر است. كه البته اين سيگنال ممكن است شكل موج ولتاژ يا شكل موج جريان و يا تركيب ديجيتالي يك بخش از اطلاعات باشد.
با نگاهی اجمالی به صنعت در می‌یابیم که در ابتدا ( از رنسانس تا قرن بیستم) تمام ابزارها و صنایع، مکانیکی بوده اند و مهندسی عموما به طراحی و ساخت این وسایل مکانیکی اطلاق می‌شد؛

اما با به کارگیری الکتریسیته در صنایع، از حجم ابزارها و دستگاه‌ها کاسته شد و صنایع پیچیده تر شد. رشته ی برق در آغاز با مکانیک همراه بود و الکترومکانیک خوانده می‌شد؛ اما با رشد و پیشرفت چشم گیر، این رشته راه خود را از مکانیک جدا کرد و به عنوان رشته ای مستقل مطرح شد. به جرأت می‌توان ادعا کرد که علم و صنعت پیشرو در نیم قرن اخیر، رشته ی مهندسی برق بوده است.

با توجه به وسعت صنعت برق و پیشرفت زیاد آن، این رشته خود به چند گرایش تقسیم شده است. کامپیوتر به عنوان وسیله ای الکترونیکی، از مصنوعات و تولیدات رشته ی برق است. در گذشته، مسایل مربوط به کامپیوتر در رشته ی برق مطرح می‌شد؛ اما با گسترش و تعمیق روز افزون آن، اینک از رشته ی برق جدا شده و به عنوان رشته ای مستقل مطرح است. رشته ی برق در مقطع کارشناسی به چهار گرایش: مخابرات، کنترل، قدرت و الکترونیک تقسیم می‌شود.

هدف:
يكي از بهترين تعريف هايي كه از مهندسي برق شده است، اين است كه محور اصلي فعاليت هاي مهندسي برق، تبديل يك سيگنال به سيگنال ديگر است. كه البته اين سيگنال ممكن است شكل موج ولتاژ يا شكل موج جريان و يا تركيب ديجيتالي يك بخش از اطلاعات باشد. مهندسي برق داراي چهار گرايش است كه در زير بطور اجمالي به بررسي آنها مي پردازيم.

مهندسي برق- الكترونيك:
الكترونيك علمي است كه به بررسي حركت الكترون در دوره گاز، خلاء و يا نيمه رسانا و اثرات و كاربردهاي آن مي پردازد. با توجه به اين تعريف، مهندس الكترونيك در زمينه ساخت قطعات الكترونيك و كاربرد آن در مدارها، فعاليت مي كند. به عبارت ديگر، زمينه فعاليت مهندسي الكترونيك را مي توان به دو شاخه اصلي “ساخت قطعه و كاربرد مداري قطعه” و “طراحي مدار” تقسيم كرد.

مهندسي برق- مخابرات:
يكي از بهترين تعريف هايي كه از مهندسي برق شده است، اين است كه محور اصلي فعاليت هاي مهندسي برق، تبديل يك سيگنال به سيگنال ديگر است. كه البته اين سيگنال ممكن است شكل موج ولتاژ يا شكل موج جريان و يا تركيب ديجيتالي يك بخش از اطلاعات باشد. مهندسي برق داراي چهار گرايش است كه در زير بطور اجمالي به بررسي آنها مي پردازيم و در قسمت معرفي گرايشها به تفصيل در مورد هر كدام صحبت خواهم كرد.

مهندسي برق- كنترل:
كنترل، در پيشرفت علم نقش ارزنده اي را ايفا مي كند و علاوه بر نقش كليدي در فضاپيماها و هدايت موشكها و هواپيما، به صورت بخش اصلي و مهمي از فرايندهاي صنعتي و توليدي نيز درآمده است. به كمك اين علم مي توان به عملكرد بهينه سيستمهاي پويا، بهبود كيفيت و ارزانتر شدن فرآورده ها، گسترش ميزان توليد، ماشيني كردن بسياري از عمليات تكراري و خسته كننده دستي و نظاير آن دست يافت. هدف سيستم كنترل عبارت است از كنترل خروجيها به روش معين به كمك وروديها از طريق اجزاي سيستم كنترل كه مي تواند شامل اجزاي الكتريكي، مكانيك و شيميايي به تناسب نوع سيستم كنترل باشد.

ماهيت:
انرژي اگر بنيادي ترين ركن اقتصاد نباشد، يكي از اركان اصلي آن به شمار مي آيد و در اين ميان برق به عنوان عالي ترين نوع انرژي جايگاه ويژه اي دارد. تا جايي كه در دنياي امروز ميزان توليد و مصرف اين انرژي در شاخه توليد، شاخص رشد اقتصادي جوامع و در شاخه خانگي و عمومي يكي از معيارهاي سنجش رفاه محسوب مي شود. دانش آموختگان اين رشته مي توانند در زمينه هاي طراحي، ساخت، بهره برداري، نظارت، نگهداري، مديريت و هدايت عمليات سيستم ها عمل نمايند.

آينده شغلي، بازار كار، درآمد:
رشته مهندسي برق در مقطع كارشناسي داراي “امروزه با توسعه صنايع كوچك و بزرگ در كشور، فرصت هاي شغلي زيادي براي مهندسين برق فراهم شده است و اگر مي بينيم كه با اين وجود بعضي از فارغ التحصيلان اين رشته بيكار هستند، به دليل اين است كه اين افراد يا فقط در تهران دنبال كار مي گردند و يا در دوران تحصيل به جاي يادگيري عميق دروس و در نتيجه كسب توانايي هاي لازم، تنها واحدهاي درسي خود را گذرانده اند. همچنين يك مهندس خوب بايد، كارآفرين باشد يعني به دنبال استخدام در موسسه يا وزارتخانه اي نباشد بلكه به ياري آگاهي هاي خود، نيازهاي فني و صنعتي كشور را يافته و با طراحي سيستم ها و مدارهاي خاصي اين نيازها را برطرف سازد. كاري كه بعضي از فارغ التحصيلان ما انجام داده و خوشبختانه موفق نيز بوده اند.”

ميزان تأثير رياضي و فيزيك در مهندسي برق
“مهندسي برق نيز مانند مابقي رشته هاي مهندسي بر مفاهيم فيزيكي و اصول رياضيات استوار است و هر چه دانشجويان بهتر اين مفاهيم را درك كنند، مي توانند مهندس بهتري باشند. در اين ميان گرايش الكترونيك وابستگي شديدي به فيزيك بخصوص فيزيك الكترونيك و فيزيك نيمه هادي ها دارد. در گرايش مخابرات نيز درس فيزيك اهميت بسياري دارد زيرا دروس اصلي اين رشته بخصوص در شاخه ميدان شامل الكترومغناطيس و امواج مي شود.” داشتن ضريب هوشي بالا و تسلط كافي بر رياضيات، فيزيك و زبان خارجي از ضرورتهاي ورود به اين رشته است.

علاقمندي مهندسان برق به رياضي
دانشجوي برق بايد ذهني خلاق و تحليل گر داشته باشد. همچنين به كار با وسايل برقي علاقه داشته باشد چون گاهي اوقات با دانشجوياني روبرو مي شويم كه در رياضي و فيزيك قوي هستند اما در كارهاي عملي ضعيف اند. چنين دانشجوياني براي رشته هاي مهندسي مناسب نيستند و بهتر است رشته هاي ذهني و انتزاعي مثل رياضي يا فيزيك را انتخاب كنند.

بررسي ميزان تأثير رياضي بر مهندسي برق و ساير رشته هاي مشابه
در برخي از دانشگاهها رشته مهندسي پزشكي را يكي از گرايش هاي مهندسي برق به شمار مي آورند. رشته هايي از قبيل مهندسي علمي – كاربردي برق، كارداني فني برق، دبير فني برق – قدرت و … پيوند عميقي بين اين رشته و دانش كامپيوتر وجود دارد كه غيرقابل انكار است كه در تمام اين رشته ها رياضي سهم بسزايي دارد.

با توجه به حجم بازار الكترونيك و بازار صنعت نيمه رسانا در دنيا و نيز كشور ما كه رشد ۷% و ۱۵% دارد، لذا آينده روشني براي اين رشته پيش بيني مي كنند چه از لحاظ بازار كار بر صنعت هاي شغلي و چه از نظر تحققات علمي. نكات تكميلي “مانع رشد صنعت الكترونيك و ميكروالكترونيك در دنيا نه سرمايه است و نه فن آوري و نه بازار. البته همه اينها محدوديت ايجاد مي كند ولي فعالً محدوديت اصلي كه اجازه نمي دهد كار از حدي جلوتر برود عبارت است از نيروي كار كيفي.” آنچه خوانديد

نظر قائم مقام فني يكي از بزرگترين مجموعه هاي ميكروالكترونيك بلژيك است و بيانگر آن است كه امروزه براي موفقيت در مهندسي برق گرايش الكترونيك بايد از سطح علمي و مهارت فني خوبي برخوردار بود. دكتر فتوت احمدي استاد مهندسي برق دانشگاه صنعتي شريف نيز در تاييد همين سخن مي گويد: “براي مثال در طراحي “IC” احتياج به سرمايه گذاري عمده اي نيست، بلكه هوشمندي طراح و دانش فني خوب، آشنايي با اصول رياضي و فيزيك، بسيار اهميت دارد.”