انجمن برق الکترونيک

......................................................................................................................

رشته دانشگاهي مهندسي برق

هدف

“يکي از بهترين تعريف هايي که از مهندسي برق شده است، اين است که محور اصلي فعاليت هاي مهندسي برق، تبديل يک سيگنال به سيگنال ديگر است. که البته اين سيگنال ممکن است شکل موج ولتاژ يا شکل موج جريان و يا ترکيب ديجيتالي يک بخش از اطلاعات باشد.

مهندسي برق داراي ? گرايش است که در زير بطور اجمالي به بررسي آنها مي پردازيم و در قسمت معرفي گرايشها به تفصيل در مورد هر کدام صحبت خواهم کرد.

?) مهندسي برق- الکترونيک: الکترونيک علمي است که به بررسي حرکت الکترون در دوره گاز، خلاء و يا نيمه رسانا و اثرات و کاربردهاي آن مي پردازد. با توجه به اين تعريف، مهندس الکترونيک در زمينه ساخت قطعات الکترونيک و کاربرد آن در مدارها، فعاليت مي کند. به عبارت ديگر، زمينه فعاليت مهندسي الکترونيک را مي توان به دو شاخه اصلي “ساخت قطعه و کاربرد مداري قطعه” و “طراحي مدار” تقسيم کرد.

?) مهندسي برق- مخابرات: مخابرات، گرايشي از مهندسي برق است که در حوزه ارسال و دريافت اطلاعات فعاليت مي کند. مهندسي مخابرات با ارايه نظريه ها و مباني لازم جهت ايجاد ارتباط بين دو يا چند کاربر، انجام عملي فرايندها را به طور بهينه ممکن مي سازد. پس هدف از مهندسي مخابرات، پرورش متخصصان در چهار زمينه اصلي اين گرايش است شامل فرستنده، مرحله مياني، گيرنده و گسترش شبکه که گسترده هر کدام عبارتند از:

فرستنده: شامل آنتن، نحوه ارسال و …

مرحله مياني: شامل خط انتقال و محاسبات مربوط و …

گيرنده: شامل آنتن، نحوه دريافت، تشخيص و …

گسترش شبکه: مشتمل بر تعميم خط ارتباطي ساده، ادوات سويچينگ ، ارتباط بين مجموعه کاربرها و …

?) مهندسي برق- قدرت: مهندسي قدرت را مي توان “توليد نيروي الکتريکي” به روشهاي گوناگون و انتقال و توزيع اين نيروها با بازده و قابليت اطمينان بالا، تعريف کرد. پس هدف از مهندسي قدرت، پرورش افرادي کارا در بخشهاي توليد، انتقال و توزيع است که گستره اين بخش عبارت است از:

توليد: طراحي شبکه هاي توليد با کمترين هزينه و بيشترين بازده.

انتقال: طراحي شبکه هاي انتقال، خطوط انتقال، پخش بار بر روي شبکه، قابليت اطمينان و پايداري شبکه قدرت، طراحي رله ها و حفاظت شبکه، پخش بار اقتصادي (dispaich economic).

توزيع: طراحي شبکه هاي توزيع حفاظت و مديريت آن.

?) مهندسي برق- کنترل: کنترل، در پيشرفت علم نقش ارزنده اي را ايفا مي کند و علاوه بر نقش کليدي در فضاپيماها و هدايت موشکها و هواپيما، به صورت بخش اصلي و مهمي از فرايندهاي صنعتي و توليدي نيز درآمده است. به کمک اين علم مي توان به عملکرد بهينه سيستمهاي پويا، بهبود کيفيت و ارزانتر شدن فرآورده ها، گسترش ميزان توليد، ماشيني کردن بسياري از عمليات تکراري و خسته کننده دستي و نظاير آن دست يافت. هدف سيستم کنترل عبارت است از کنترل خروجيها به روش معين به کمک وروديها از طريق اجزاي سيستم کنترل که مي تواند شامل اجزاي الکتريکي، مکانيک و شيميايي به تناسب نوع سيستم کنترل باشد.

ماهيت:

انرژي اگر بنيادي ترين رکن اقتصاد نباشد، يکي از ارکان اصلي آن به شمار مي آيد و در اين ميان برق به عنوان عالي ترين نوع انرژي جايگاه ويژه اي دارد. تا جايي که در دنياي امروز ميزان توليد و مصرف اين انرژي در شاخه توليد، شاخص رشد اقتصادي جوامع و در شاخه خانگي و عمومي يکي 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.

گرايش هاي مقطع ليسانس:

رشته مهندسي برق در مقطع کارشناسي داراي ? گرايش الکترونيک، مخابرات، کنترل و قدرت(?) است. البته گرايش هاي فوق در مقطع ليسانس تفاوت چنداني با يکديگر ندارند و هر گرايش با گرايش ديگر تنها در ?? واحد يا کمتر متفاوت است. و حتي تعدادي از فارغ التحصيلان مهندسي برق در بازار کار جذب گرايشهاي ديگر اين رشته مي شوند. با اين وجود ما براي آشنايي هر چه بيشتر شما گرايشهاي فوق را به اجمال معرفي مي کنيم.

گرايش الکترونيک

دکتر کمره اي استاد مهندسي برق دانشگاه تهران در معرفي اين گرايش مي گويد:

“گرايش الکترونيک به دو زير بخش عمده تقسيم مي شود. بخش اول ميکروالکترونيک است که شامل علم مواد، فيزيک الکترونيک، طراحي و ساخت قطعات از ساده ترين آنها تا پيچيده ترين آنها است و بخش دوم نيز مدار و سيستم ناميده مي شود و هدف آن طراحي و ساخت سيستم ها و تجهيزات الکترونيکي با استفاده از قطعات ساخته شده توسط متخصصان ميکروالکترونيک است.

دکتر جبه دار نيز در معرفي اين گرايش مي گويد:

“گرايش الکترونيک يکي از گرايشهاي جالب مهندسي برق است که محور اصلي آن آشنايي با قطعات نيمه هادي، توصيف فيزيکي اين قطعات، عملکرد آنها و در نهايت استفاده از اين قطعات، براي طراحي و ساخت مدارها و دستگاههاي است که کاربردهاي فني و روزمره زيادي دارند.”

گرايش مخابرات

هدف از مخابرات ارسال و انتقال اطلاعات از نقطه اي به نقطه ديگر است که اين اطلاعات مي تواند صوت، تصوير يا داده هاي کامپيوتري باشد.

دکتر جبه دار در مورد شاخه هاي مختلف اين گرايش مي گويد:

“مخابرات از دو گرايش ميدان و سيستم تشکيل مي شود. که در گرايش ميدان، دانشجويان با مفاهيم ميدان هاي مغناطيسي، امواج، ماکروويو، آنتن و … آشنا مي شوند تا بتوانند مناسبترين وسيله را براي انتقال موجي از نقطه اي به نقطه ديگر پيدا کنند.

همچنين يکي از فعاليت هاي عمده مهندسي مخابرات گرايش سيستم، طراحي فليترهاي مختلفي است که مي توانند امواج مزاحم شامل صوت يا پارازيت را از امواج اصلي تشخيص و آنها را حذف کرده و تنها امواج اصلي را از آنتن دريافت کنند.

گفتني است که امروزه با توسعه مخابرات بي سيم، ارتباط نزديکتري بين دو گرايش ميدان و سيستم ايجاد شده است. براي نمونه در گوشي تلفن همراه ما هم تجهيزات مربوط به مدارهاي مخابراتي و هم تجهيزات مربوط به فرستنده و هم آنتن گيرنده را داريم. از همين رو يک مهندس مخابرات امروزه بايد از هر دو گرايش بخوبي اطلاع داشته باشد تا بتواند يک دستگاه بي سيم را طراحي کند.”

استفاده قرار نمي گيرد. بلکه در شاخه هاي ديگري از علوم مهندسي و حتي علوم انساني کاربرد دارد. به عنوان نمونه کنترل فرآيند تصفيه نفت در يک پالايشگاه، کنترل عملکرد يک نيروگاه برق، سيستم کنترل ناوبري يک کشتي و يا کنترل تحولات و تغييرات جمعيتي نمونه هاي متنوعي از کاربرد علم کنترل مي باشد.

گفتني است که گرايش کنترل داراي زير بخش هاي متنوعي مانند کنترل خطي، غيرخطي، مقاوم، تطبيقي، ديجيتالي، فازي و غيره است.”

دکتر جبه دار نيز با اشاره به اينکه گرايش کنترل منحصر به مهندسي برق نمي شود، مي گويد:

“در رشته هاي مهندسي مکانيک، مهندسي شيمي، مهندسي هوافضا، مهندسي سازه و مهندسي هاي ديگر نيز ما شاهد علم کنترل هستيم اما نوع سيستم کنترلي در هر رشته مهندسي متفاوت است. براي مثال در مهندسي مکانيک نوع کنترل، مکانيکي و در مهندسي شيمي براساس فرآيندهاي شيميايي است. اما در کل هدف مهندسي کنترل، طراحي سيستمي است که بتواند عملکرد يک دستگاه را در حد مطلوب حفظ کند.

دکتر جبه دار در ادامه درباره فعاليت هاي ديگر مهندسي کنترل مي گويد:

“خودکار کردن يا اتوماتيک کردن خط توليد، يکي ديگر از فعاليت هاي مهندسي کنترل است. يعني مهندس کنترل مي تواند به گونه اي خط توليد را هماهنگ و کنترل کند که محصول توليد شده طبق برنامه تعيين شده و با بهترين کيفيت به دست آيد.”

گرايش قدرت

دکتر جبه دار در معرفي اين گرايش مي گويد:

“هدف اصلي مهندسين اين گرايش، توليد برق در نيروگاهها، انتقال برق از طريق خطوط انتقال و توزيع آن در شبکه هاي شهري و در نهايت توزيع آن براي مصارف خانگي و کارخانجات است. بنابراين يک مهندس قدرت بايد به روشهاي مختلف توليد برق، خطوط انتقال نيرو و سيستم هاي توزيع آشنا باشد.”

دکتر کمره اي نيز در معرفي اين گرايش مي گويد:

“گرايش قدرت به آموزش و پژوهش در زمينه طراحي و ساخت سيستم هاي مورد استفاده در توليد، توزيع، مصرف و حفاظت از برق مي پردازد.

به عبارت ديگر دانشجويان اين رشته در شاخه توليد با انواع نيروگاههاي آبي، گازي، سيکل ترکيبي و … آشنا مي شوند. و در بخش انتقال و توزيع، روشهاي مختلف انتقال برق اعم از کابلهاي هوايي و زيرزميني را مطالعه مي کنند و در شاخه حفاظت نيز انواع وسايل و تجهيزات حفاظتي که در مراحل مختلف توليد، توزيع، انتقال و مصرف انرژي، انسانها و تاسيسات را در برابر حوادث مختلف محافظت مي کنند، مورد بررسي قرار مي دهند که از آن ميان مي توان به انواع رله ها، فيوزها، کليدها و در نهايت سيستم هاي کنترل اشاره کرد.

يکي ديگر از شاخه هاي قدرت نيز ماشين هاي الکتريکي است که شامل ژنراتورها، ترانسفورماتورها و موتورهاي الکتريکي مي شود که اين شاخه از زمينه هاي مهم صنعتي و پژوهشي گرايش قدرت است.”

آينده شغلي، بازار کار، درآمد:

“امروزه با توسعه صنايع کوچک و بزرگ در کشور، فرصت هاي شغلي زيادي براي مهندسين برق فراهم شده است و اگر مي بينيم که با اين وجود بعضي از فارغ التحصيلان اين رشته بيکار هستند، به دليل اين است که اين افراد يا فقط در تهران دنبال کار مي گردند و يا در دوران تحصيل به جاي يادگيري عميق دروس و در نتيجه کسب توانايي هاي لازم، تنها واحدهاي درسي خود را گذرانده اند.

همچنين يک مهندس خوب بايد، کارآفرين باشد يعني به دنبال استخدام در موسسه يا وزارتخانه اي نباشد بلکه به ياري آگاهي هاي خود، نيازهاي فني و صنعتي کشور را يافته و با طراحي سيستم ها و مدارهاي خاصي اين نيازها را برطرف سازد. کاري که بعضي از فارغ التحصيلان ما انجام داده و خوشبختانه موفق نيز بوده اند.”

دکتر کمره اي نيز در اين زمينه مي گويد:

“اگر يک فارغ التحصيل برق داراي توانايي هاي لازم باشد، با مشکل بيکاري روبرو نخواهد شد. در حقيقت امروزه مشکل اصلي اين است که بيشتر فارغ التحصيلان توانمند و با استعداد اين رشته به خارج از کشور مهاجرت مي کنند و ما اکنون با کمبود نيروهاي کارآمد در اين رشته روبرو هستيم.”

يکي از اساتيد مهندسي برق دانشگاه علم و صنعت ايران نيز در مورد فرصت هاي شغلي فارغ التحصيلان اين رشته مي گويد:

“طبق نظر کارشناسان و متخصصان انرژي در کشور، با توجه به نياز فزاينده به انرژي در جهان کنوني و همچنين نرخ رشد انرژي الکتريکي در کشور، سالانه بايد حدود ???? مگاوات به ظرفيت توليد کشور افزوده شود که اين نياز به احداث نيروگاههاي جديد و همچنين فارغ التحصيلان متخصص برق و قدرت دارد.

فرصت هاي شغلي يک مهندس کنترل نيز بسيار گسترده است چون در هر جا که يک مجموعه عظيمي از صنعت مهندسي مثل کارخانه سيمان، خودروسازي، ذوب آهن و … وجود داشته باشد، حضور يک مهندسي کنترل ضروري است.

و بالاخره يک مهندس مخابرات يا الکترونيک مي تواند جذب وزارتخانه هاي پست و تلگراف و تلفن، صنايع، دفاع و سازمانهاي مختلف خصوصي و دولتي شود.”

توانايي هاي مورد نياز و قابل توصيه

الف) توانايي علمي: “مهندسي برق نيز مانند مابقي رشته هاي مهندسي بر مفاهيم فيزيکي و اصول رياضيات استوار است و هر چه دانشجويان بهتر اين مفاهيم را درک کنند، مي توانند مهندس بهتري باشند. در اين ميان گرايش الکترونيک وابستگي شديدي به فيزيک بخصوص فيزيک الکترونيک و فيزيک نيمه هادي ها دارد. در گرايش مخابرات نيز درس فيزيک اهميت بسياري دارد زيرا دروس اصلي اين رشته بخصوص در شاخه ميدان شامل الکترومغناطيس و امواج مي شود.”

داشتن ضريب هوشي بالا و تسلط کافي بر رياضيات، فيزيک و زبان خارجي از ضرورتهاي ورود به اين رشته است.

ب) علاقمنديها: دانشجوي برق بايد ذهني خلاق و تحليل گر داشته باشد. همچنين به کار با وسايل برقي علاقه داشته باشد چون گاهي اوقات با دانشجوياني روبرو مي شويم که در رياضي و فيزيک قوي هستند اما در کارهاي عملي ضعيف اند. چنين دانشجوياني براي رشته هاي مهندسي مناسب نيستند و بهتر است رشته هاي ذهني و انتزاعي مثل رياضي يا فيزيک را انتخاب کنند.

وضعيت ادامه تحصيل در مقاطع بالاتر: (کارشناسي ارشد و …)

فارغ التحصيل در مقطع کارشناسي برق که مدرک خود را در يکي از چهار گرايش الکترونيک، مخابرات، قدرت و کنترل مي گيرد، مي تواند در يکي از اين گرايشها (اختياري) يا رشته اي که برق زير مجموعه اي براي آن تعريف شده، ادامه تحصيل نمايد. اين رشته به صورت: مهندسي برق- الکترونيک، برق- قدرت، برق- مخابرات (شامل گرايش هاي: ميدان، سيستم، موج، رمز، مايکرونوري) برق- کنترل، مهندسي پزشکي (گرايش بيوالکتريک)، مهندسي هسته اي (دو گرايش مهندسي راکتور و مهندسي پرتو پزشکي، مهندسي کامپيوتر (معماري کامپيوتر، هوش مصنوعي و رباتيک) است. براي تحصيل در مقطع دکتراي تخصصي، مي توان، در هر يک از زيرشاخه هاي تخصصي‌تر گرايشهاي ياد شده ميزان مورد نياز واحدها را اخذ کرد و رساله دکتري را در همان موضوع خاص ارايه داد. مسلم است اين زير شاخه ها، گرايشهاي تخصصي تر اين چهار گرايش است. امکان ادامه تحصيل در کليه گرايشهاي ياد شده در مقطعهاي کارشناسي ارشد و تا حد زيادي در دوره دکتري، در داخل کشور وجود خواهد داشت. رشته برق به دليل کاربردي بودن آن در بسياري از علوم مهندسي ديگر، براي فارغ التحصيلان امکان تحصيل در بسياري گرايشها و دانشها را فراهم مي کند.

درسهاي تخصصي مهندسي برق – الکترونيک

از درسهاي پايه و اصلي موثر در مهندسي الکترونيک مي توان به درسهاي مدارهاي الکتريکي، الکترونيک ? و ?، مدارهاي منطقي و مخابرات اشاره کرد. بعضي از درسهاي تخصصي اين گرايش عبارتند از:

الکترونيک ?: مبحث اول اين درس مربوط به پاسخ فرکانسي است که به طور اجمال عوامل مربوط به کاهش بهره در فرکانسهاي بالا و پايين (در واقع بالاتر و پايين تر از پهناي باند مياني) و روشهاي به دست آوردن فرکانسهاي قطع بالا و پايين را در تقويت کننده هاي ترانزيستوري مورد بررسي قرار مي دهد. در مبحث دوم پايداري تقويت کننده هاي فيدبک مورد توجه قرار مي گيرد.

تکنيک پالس: در درسهاي مدار و الکترونيک، دانشجويان با سيگنالهاي سينوسي و پاسخ مدارهاي خطي و يا غيرخطي به آنها آشنا مي شوند، امروزه و با توجه به رشد روزافزون فن آوري ديجيتال، کمتر مدار الکترونيکي يافت مي شود که در آن فقط سيگنالهاي سينوسي به کار رفته باشد. پالس در حالت کلي به سيگنالهايي گفته مي شود که تغييرات جهش داشته باشند. از مهمترين اين سيگنالها که در درس تکنيک پالس هم مورد بررسي قرار مي گيرد، سيگنالهاي پله، مربعي، مورب و نمايي هستند.

ميکروپروسسور: پس از پيدايش الکترونيک ديجيتال و جنبه هاي جذاب و ساده طراحيهاي ديجيتال و کاربردهاي فراوان اين نوآوري، با تکنولوژيهاي SSI , MSI ، ادوات الکترونيک ديجيتال، مانند قطعات منطقي به بازار ارايه شد. شرکت تگزاس اولين ميکروپروسسور ? بيتي را با فن آوري ?SI طراحي و عرضه نمود که بعنوان بخش اصلي ماشين حساب مورد استفاده قرار گرفت و اين گام اول در پيدايش و ظهور ميکروپروسسورها بود.

معماري کامپيوتر: در اين درس معماري داخل ? بيتي ها و نحوه اجراي دستورالعملها در اين پردازنده ها، بررسي حافظه ها و روش دستيابي ميکروپروسسورها به اطلاعات حافظه، معرفي زبان اسمبلي پردازنده هاي ? بيتي و ايجاد توانايي جهت نوشتن برنامه اي براي عملکردي خاص به کمک ميکروپروسسورها و معرفي قطعات جانبي مورد استفاده توسط ريزپردازنده ها، مورد مطالعه قرار مي گيرد.

مدارهاي مخابراتي: درس مدار مخابراتي به بررسي ساختار و يا طراحي مدارهايي مي پردازد که در فرکانسهاي بالا کار کرده و يا به نوعي در ارسال پيام در گيرنده و فرستنده نقش دارند. در اين درس ابتدا با نويزهاي حرارتي، ترقه اي و … آشنا شده و راههايي براي محدود کردن نويز پيشنهاد مي شود، سپس مدارهاي تشديد و تبديل امپدانس که به منظور انتقال حداکثر توان به کار مي روند مورد بحث قرار مي گيرد.

فيزيک مدرن: در فصل اول اين درس با پرداختن به نسبيت خاص دانسته هاي علمي ما کاملاً اشتباه از آب درآمده و با پرداختن به اصولي نظير اتساع زمان، پديده دوپلر، انقباض طول، نسبيت جرم، جرم و انرژي و …، همه دانسته هاي ما را (حداقل در حيطه دانستن) نابود مي کند.

فصلهاي ديگر درس به موضوعاتي نظير خواص ذره اي امواج، پديده فتوالکتريک، نظريه کوانتومي نور، پرتوايکس، پراش ذره، ساختار اتمي، مکانيک کوانتومي و … مي پردازد.

فيزيک الکترونيک: شامل مطالعه خواص سيليکون، بلورشناسي، روشهاي ساخت قطعات و مدارهاي نيمه هادي، تحليل و طراحي اين مدارها، به دست آوردن مشخصات قطعات و يکي از مهمترين زمينه هاي کاري و تحقيقاتي در رشته الکترونيک است. پيش نياز اين قسمت تسلط بر درس درياضي مهندسي و معادلات ديفرانسيل و مختصري در فيزيک کوانتوم و فيزيک مدرن مي باشد.

درسهاي تخصصي مهندسي برق- مخابرات

از درسهاي پايه و اصلي موثر در مهندسي مخابرات مي توان به درسهاي رياضي مهندسي تجزيه و تحليل سيستمها، مدارهاي الکتريکي، الکترونيک و الکترومغناطيس اشاره کرد. بعضي از درسهاي تخصصي عبارتند از:

مخابرات ?: شامل تجزيه و تحليل و طراحي شبکه هاي مخابراتي ديجيتالي است. مطالب درسي با مروري بر تجزيه و تحليل سيگنالها و سپس فرآيندهاي تصادفي شروع شده و به دنبال آن به بررسي اجزاي يک سيستم (مجموعه) مخابراتي ديجيتال در حالت کلي مي پردازد و چگونگي بهينه سازي سيستم براي انتقال پيام با حداقل خطاي ممکن را بررسي مي کند.

ميدان و امواج: درس ميدان و امواج به بررسي رفتار امواج الکترومغناطيس در محيطهاي مختلف طبيعت مي پردازد. محيطها به قسمت هاي هادي و نيمه هادي و عايق تقسيم بندي شده و عوامل رفتاري امواج در اين محيطها از قبيل اتلاف نيرو انعکاسي کلي يا شکست بررسي مي شود.

الکترونيک ?: در گرايش الکترونيک توضيح داده شد.

مدارهاي مخابراتي: در گرايش الکترونيک توضيح داده شد.

آنتن ها و انتشار امواج: اين درس به بحث در مورد نحوه انتشار امواج الکترومغناطيسي مي پردازد. مباحث مطرح شده در اين درس به صورت نظري و عملي است، به عبارتي از نحوه تشعشع يک منبع الکترومغناطيسي ساده شروع کرده و با توسعه آن به مطالعه ساده ترين آنتن عملي مي پردازد.

مايکروويو: اين درس در ابتدا پس از تعريف محدود مايکروويو از نظر فرکانس ? و تقسيم بندي امواج مايکروويو به بررسي انتقال امواج با فرکانس بالا با حداقل تلفات در محيطهاي مختلف مي پردازد. سپس عناصر غيرفعال مايکروويو شامل نضعيف کننده ها، تغيير فازدهنده ها و کوپلرهاي جهت دار معرفي مي شود.

اصول ميکروکامپيوتر: اين درس را به جرات مي توان از جذابترين و پرکاربردترين درسهاي برق دانست زير در دنياي امروز که تمامي وسايل مکانيکي آنالوگ جاي خود را به وسايل ديجيتالي مي دهند، داشتن اطلاعات کافي در مورد نحوه کارپروسسورها از اولين نيازهاي يک مهندس برق مي باشد. با ترکيب مطالب اين درس با هر کدام از درسهاي ديگر مي توان طرحهاي بسيار جالب و پرکاربردي را طرح ريزي کرد.

درسهاي تخصصي مهندسي برق- قدرت

از درسهاي پايه و اصلي موثر در مهندسي قدرت مي توان به دروس مدار، الکترومغناطيس، الکترونيک، ماشين و بررسي اشاره کرد. بعضي از درسهاي تخصصي اين گرايش عبارتند از:

ماشينهاي الکتريکي ?: اين درس از جمله درسهايي است که ديدي صنعتي به دانشجو مي دهد. مبحث اين درس را مي توان به دو فصل مهم ترانفسورمرهاي سه فاز و ماشينهاي سنکرون تقسيم بندي نمود.

ترانسفورهاي سه فاز و ماشينهاي سنکرون، وسايلي الکتريکي هستند که بيشتر جنبه صنعتي دارند و کاربردهاي بسيار زياد ترانسهاي سه فاز در انتقال و توزيع انرژي الکتريکي، تبديل ولتاژ در ابتداي همه کارخانه ها و کارگاههاي بزرگ صنعتي و … بر هيچ کس پوشيده نيست. در اين درس در مورد انواع آرايشهاي اين تراسنها، کليه گروههاي موجود و کاربرد هر نوع، بحث جامعي مي شود.

ماشينهاي مخصوص(ويژه): به تعبيري مي توان اين درس را نقطه عطف درسهاي تخصصي اين گرايش دانست. زيرا اين درس به بررسي در مورد ماشينهاي ويژه مي پردازد که اين ماشينها در وسايل خانگي کاربرد فراوان دارند.

الکترونيک قدرت: الکترونيک قدرت در عمل بين الکترونيک و قدرت، آشتي برقرار کرده است. به طور مثال مي توان با فرمان يک ريزپردازنده که حدود ? ولت و ??? ميلي آمپر است يک کارخانه را راه اندازي کنيم. در زمينه الکترونيک قدرت المانهايي نظير تريستور، ترانزيستور و … کاربردهاي فوق العاده زيادي دارند. از مزاياي اين قطعات تحمل توانهاي بالا مي باشد.

بررسي سيستمهاي قدرت ?: اين درس بيشتر در مورد انتقال انرژي و مشکلات موجود در اين راه صحبت مي کند. از جمله مطالب ارايه شده در اين درس مي توان به پخش بار اقتصادي در شبکه هاي قدرت، اتصال کوتاههاي متقارن و نامتقارن روي شبکه قدرت و پايداري سيستمهاي قدرت اشاره نمود.

توليد و نيروگاه: اين درس يکي از درسهاي بسيار جذاب اين گرايش است، زيرا برخلاف ديگر درسها، زياد به مسايل نظري، نمي پردازد و جنبه بسيار عملي دارد. آشنايي با انواع نيروگاهها (آبي، اتمي، بادي، بخار، …) و همچنين بحث کلي در مورد اين نيروگاهها و روشهاي کاري آنها از مباحث اين درس است.

رله و حفاظت: يک شبکه قدرت را بايد در مقابل خطرات احتمالي (اتصال کوتاهها) محافظت کرد. از وسايلي که در اين مورد استفاده مي شود مي توان به رله ها اشاره کرد که بسته به نوع رله به محض ايجاد يک حالت خطا و يا خرابي در شبکه وارد عمل شده، قسمتي از شبکه را جدا کرد.

عايق و فشار قوي: با توجه به تفاوتهاي ولتاژهاي فشار قوي با ولتاژهاي فشار ضعيف، به طور حتم توليد، اندازه گيري و بهره برداري از اين ولتاژها تفاوتهاي عمده اي با ولتاژهاي فشار ضعيف دارد و براي عايق بندي شبکه فشار قوي بايد از عايقهاي مخصوصي استفاده کرد. فصل نخست اين درس به بررسي اين مقوله مي پردازد.

در بخش دوم اين درس انواع تخليله الکتريکي، مراحل مختلف آن در عايقها و اثرات مختلف شکست بر عايق مورد بررسي قرار مي گيرد.

ترموديناميک: شايد اولين سوالي که در مرحله اول به ذهن برسد ارتباط اين درس با درسهاي برق باشد. کاربرد اصلي مطالب اين درس مبحث توليد نيروگاه است. زيرا هنگام آشنايي با انواع نيروگاهها (نيروگاه بخار، گازي، اتمي و …) بايد اطلاعاتي در مورد سيکل کاري آنها داشته باشيم، پس داشتن اطلاعاتي در مورد ترموديناميک ضروري است.

اصول ميکروکامپيوتر: درگرايش مخابرات توضيح داده شد.

درسهاي تخصصي مهندسي برق- کنترل

از درسهاي پايه و اصلي موثر در مهندسي کنترل مي توان به درسهاي مدار، الکترونيک، رياضي مهندسي، تجزيه و تحليل سيستم و کنترل خطي اشاره کرد. بعضي از درسهاي تخصصي اين گرايش عبارتند از:

کنترل ديجيتال و غيرخطي: کنترل ديجيتال از سال در پيشرفتهاي مربوط به قابليت توليد و کيفيت محصولات و صرفه جويي در هزينه ها، نقش مهمي داشته است. به خصوص با پيشرفتهايي که در زمينه ميکروپروسسور صورت گرفته، اين رشته توانسته است در بعضي موارد از کنترل آنالوگ پيشي گرفته، دقت کار را بالا ببرد.

کنترل مدرن: اين درس برخلاف ساير درسها (مانند کنترل صنعتي و …) تا حدي جنبه نظري دارد و ديدي تقريبا رياضي به يک مهندس کنترل مي دهد. آشنايي کلي با مفاهيم کنترل پذيري و مشاهده پذيري سيستمهاي کنترل و مطالعه فيدبکهاي حالت از مباحث اين درس است.

کنترل صنعتي: اين درس از درسهاي تخصصي و مهم گرايش کنترل مي باشد که به بررسي نحوه به کارگيري روابط رياضي و فرمولهايي که در هر نوع پروسه اي وجود دارد مي پردازد و شامل آشنايي با سيستمهاي کنترل غلظت، سطح، ارتفاع و يا يبي ورودي، خروجي مخازن حاوي مايعات صنعتي و شيميايي (مانند مخازن موجود در صنايع، پالايشگاهها و …)، مطالعه سيستمهاي کنترل دما و رطوبت يک محفظه و يا اتاق، آشنايي با انواع کنترل کننده هاي صنعتي، مطالعه انواع سيستمهاي نورد موجود در کارخانه ها(مانند نورد فولاد، کاغذ و…) و ديگر سيستمهاي موجود در صنعت است.

ابزار دقيق: اصطلاح ابزار دقيق به ابزاري اطلاق مي شود که سيگنالها را ثبت و نشان داده و يا باعث انتقال سيگنالي بين اجزاي مختلف سيستم مي شوند. اين درس به معرفي سيستمهاي کنترل و ابزار دقيق و همچنين معرفي اجزاي اين سيستمها مي پردازد.

اصول ميکروکامپيوتر: در گرايش مخابرات توضيح داده شد.

ترموديناميک: در گرايش قدرت توضيح داده شد.

مباني تحقيق در عمليات: اين درس به طور کلي براي تمام دانشجويان مهندسي مفيد است. چون مهندسي ارتباط مستقيم با هزينه و سود اقتصادي دارد. آگاهي به برنامه ريزي خطي که بحث اصلي اين درس است براي هر مهندسي جنبه هاي مثبت زيادي دارد. با اين درس مي توان هزينه ها را به حداقل و سود و صرفه اقتصادي را با کمترين امکانات به حداکثر رساند. بنابراين آگاهي به اين درس براي تمام کساني که مي خواهند يک طرح صنعتي انجام دهند مزاياي زيادي دارد.

رشته هاي مشابه و نزديک به اين رشته:

در برخي از دانشگاهها رشته مهندسي پزشکي را يکي از گرايش هاي مهندسي برق به شمار مي آورند.

رشته هايي از قبيل مهندسي علمي – کاربردي برق، کارداني فني برق، دبير فني برق – قدرت و …

پيوند عميقي بين اين رشته و دانش کامپيوتر وجود دارد که غيرقابل انکار است.

زمين شناسي- علوم سياسي – جامعه شناسي و علوم اجتماعي

با توجه به حجم بازار الکترونيک و بازار صنعت نيمه رسانا در دنيا و نيز کشور ما که رشد ?% و ??% دارد، لذا آينده روشني براي اين رشته پيش بيني مي کنند چه از لحاظ بازار کار بر صنعت هاي شغلي و چه از نظر تحققات علمي.

نکات تکميلي:

“مانع رشد صنعت الکترونيک و ميکروالکترونيک در دنيا نه سرمايه است و نه فن آوري و نه بازار. البته همه اينها محدوديت ايجاد مي کند ولي فعالً محدوديت اصلي که اجازه نمي دهد کار از حدي جلوتر برود عبارت است از نيروي کار کيفي.”

آنچه خوانديد نظر قايم مقام فني يکي از بزرگترين مجموعه هاي ميکروالکترونيک بلژيک است و بيانگر آن است که امروزه براي موفقيت در مهندسي برق گرايش الکترونيک بايد از سطح علمي و مهارت فني خوبي برخوردار بود.

دکتر 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، بلکه هوشمندي طراح و دانش فني خوب، بسيار اهميت دارد.”

انجمن برق الکترونيک

......................................................................................................................

نانو پودرهاي مغناطيسي

? ميدان مغناطيسي :ميدان مغناطيسي‌ يك ميدان نيروست، مثل ميدان جاذبه? زمين. درست همان‌طور كه يك جسم در محدوده? ميدان جاذبه? زمين، جذب زمين مي‌شود، يك قطعه? مغناطيسي نيز در ميدان مغناطيسيِ يك آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا مي‌شود.

اين خاصيت مغناطيسي در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبي‌هاي مغناطيسي است (يعني يك آهن‌ربا متشكل از آهن‌رباهاي ريز است). علت به وجود آمدن دوقطبي‌هاي مغناطيسي، حركت الكترون‌هاست. براي درك بهتر انواع حركت‌هاي الكترون، بهتر است قدري راجع به ساختمان اتم صحبت كنيم.

? ساختمان اتم

همان‌طور كه مي‌دانيم، اتم شامل مجموعه‌اي از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌اي از ذرات باردار منفي (الكترون‌ها) در پوسته است. (نوترون در ايجاد خاصيت مغناطيسي تأثيري ندارد). الكترون‌ها در مدارهايي حلقوي به نام اُربيتال دور هسته مي‌چرخند. با نگاه به نمودار زير (كه براي Fe?? رسم شده است) قطعاً اين مجموعه را به خاطر خواهيد آورد:

اُربيتال‌ها به ترتيب با نام‌هاي K و L وM وN و... شناخته مي‌شوند و در هر اُربيتال اتم‌ها در لايه‌هاي s و p و d و f به دور هسته مي‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپين» مي‌گوييم. در تمام اين مقاله،‌ مي‌خواهيم اين موضوع را تفهيم کنيم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداري به نام «گشتاور» ايجاد مي‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر مي‌آوريد: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نيرويي را نشان مي‌دهد که در اثر تغيير بردار حرکت الکترون توليد مي‌شود. مجموعه? خطوط اين بردارهاي گشتاور، يك ميدان مغناطيسي را به وجود مي‌آورد. يعني وقتي يك جسم در فاصله‌اي نزديك چنين قطعه‌اي قرار بگيرد، اين مجموعه از نيروها بر آن وارد مي‌شوند و به اصطلاح آن را يا به طرف خود جسم مي‌كشند (جاذبه) و يا هُل مي‌دهند (دافعه).

امّا حتماً توجه داريد که دو نيرو در يك راستا، ولي در خلاف جهت هم، همديگر را خنثي مي‌كنند. بنابراين،‌ اگر در يك لايه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته مي‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نيرو در خلاف جهت توليد مي‌شوند كه همديگر را خنثي مي‌كنند. از اين رو، اگر جسمي در نزديكي آنها قرار بگيرد، يك نيرو آن را مي‌كشد و يك نيرو آن را هُل مي‌دهد و در کل هيچ نيرويي بر آن وارد نمي‌شود. پس ماده? مورد نظر ما، با يك اربيتال پُر (داراي تعداد الكترون‌هاي زوج در لايه? آخر كه براي Fe??،‌ اربيتال d لايه? آخر است) داراي خاصيت مغناطيسي نخواهد بود.

اما يك راه ديگر هم براي ايجاد خاصيت مغناطيسي در ماده وجود دارد. در اين روش، خاصيت مغناطيسي ناشي از نوع ديگري از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربيتالي (چرخش به دور هسته كه در بالا توضيح داده شد) مي‌توانند مثل كره? زمين به دور خود نيز بچرخند. در اين حالت نيز همان بردار گشتاور ايجاد مي‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لايه? آخر زوج باشد دوباره نيروهاي به‌وجودآمده همديگر را خنثي مي‌كنند.

جامداتي كه در آنها لايه? d در حال پر شدن است، داراي خاصيت مغناطيسي خواهند بود، اما اين خاصيت مغناطيسي فقط ناشي از چرخش الكترون‌هاي لايه? آخر ( : Fe??) است. زيرا لايه? d به هسته نزديك است و جاذبه? هسته به الكترون‌هاي اين لايه اجازه نمي‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتي كه لايه? f در حال پُر شدن است، چون فاصله? لايه از هسته زياد است، الكترون‌ها هم مي‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نيرو ناشي از دو نوع حركت به وجود مي‌آيد و واضح است كه خاصيت مغناطيسي بسيار بيشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به اين موضوع هم بايد توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربيتالي) و چرخش به دور خود (حركت وضعي)‌ براي يك الكترون در خلاف هم هستند.

? حوزه‌هاي مغناطيسي

يك ماده? مغناطيسي مجموعه‌اي از حوزه‌هاي مغناطيسي است. حوزه? مغناطيسي،‌ ناحيه‌اي است كه درون آن همه? الكترون‌هاي لايه‌هاي منفرد در يك جهت به دور هسته و به دور خود مي‌چرخند. يعني يك ماده? چندحوزه‌اي مجموعه‌اي از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتي خاص به دور هسته مي‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نيرو در راستاي خاص خود را به وجود مي‌آورد و مجموعه? بردارهاي نيروي توليدشده، در جهات مختلف، به نوعي همديگر را خنثي مي‌كنند. يعني ميدان نيروي ما، مجموعه‌اي از نيروهاي پراكنده است. پس قدرت آن ضعيف‌تر خواهد شد.

? براي درك اين موضوع به مثال زير توجه كنيد.

دو اتاق كنار هم را در نظر بگيريد. در اتاق اول ?? نفر وجود دارند. از اين ?? نفر، ? نفر از جنوب به شمال،‌ ? نفر از غرب به شرق، ? نفر از شرق به غرب و ? نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (اين اتاق دقيقاً همان ماده? چندحوزه‌اي است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند.)

در اتاق دوم ? نفر وجود دارند كه همگي از شمال اتاق به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد مي‌كنند. بنابراين، برآيند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خيلي كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتي حركت مي‌كنند و هيچ برخوردي بين آنها وجود ندارد. بنابراين، برآيند حركتيِ آنها معادل حركت ? نفر است.

? القاي مغناطيسي

القاي مغناطيسي يعني اينكه بخواهيم ماده‌اي را كه براي مغناطيسي شدن مناسب است، مغناطيس كنيم. واضح است كه براي اين كار بايد حوزه‌هاي مغناطيسي غير هم‌جهت را هم‌جهت كنيم تا نيروهاي حاصل همديگر را خنثي نكنند. براي اين كار بايد قطعه را با يك آهن‌ربا مالش دهيم، يا آن را در جهت ميدان مغناطيسيِ زمين گداخته كنيم يا در اين جهت چكش‌كاري كنيم. اين كارها باعث چرخيدن فلش‌ها در هر حوزه ‌مي‌شوند تا در نهايت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، يعني جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با اين كار مرز بين حوزه‌ها حركت مي‌كند و حوزه‌هاي كوچك‌تر در حوزه‌هاي بزرگ ادغام (هضم) مي‌شوند.

ساده‌ترين مواد مغناطيسي که مي‌شناسيم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعيين‌كننده‌اي در زندگي بشر دارند. در اين فصل نشان مي‌دهيم كه براي استفاده از برخي خواص مغناطيس، از جمله در كارت‌هاي اعتباري، بايد از پودرهاي مغناطيسي استفاده كرد. همچنين نشان مي‌دهيم كه اندازه? پودرها تأثير زيادي در خاصيت مغناطيسي آنها دارد.

? سرگذشت آهنربا

بزرگترين ماده? مغناطيسيِ زمين، خودِ زمين است. زمين آهنربايي دوقطبي است كه ميدان مغناطيسي آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. يعني اگر آهنربايي را در فضا معلق نگاه داريم، در اين جهت قرار مي‌گيرد.

اولين ماده? مغناطيسي كه بشر شناخت، اكسيدآهن بود. اين ماده داراي خاصيت آهنربايي غيردائمي است. يعني خاصيت مغناطيسي آن از بين مي‌رود. مواد مغناطيسي در سه دسته? فلزات، سراميک‌ها، و پليمرها مي‌گنجند. عمده? مواد مغناطيسي جزء دسته? سراميك‌ها هستند. سراميك‌ها از طريق پيوند يونيِ يك فلز يا غيرفلز با كوچك‌ترين اتم‌هاي طبيعت، يعني اكسيژن،‌ نيتروژن، بور و كربن به وجود مي‌آيند. (البته هيدروژن كه كوچك‌تر از همه است در اين بين نيست.)

خواص مغناطيسي اكسيد آهن توسط «تالس» شناخته شد.

در قرن هفتم ميلادي از اين ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.

آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چين به اروپا رسيد. در اروپا‌ دانشمندي فرانسوي به نام گيلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنرباي بزرگ زميني» را نوشت. در اين كتاب قديمي‌ترين و ساده‌ترين روش‌هاي آهنربا كردن يك قطعه? مغناطيسي به شرح زير بيان شده‌اند:

?. مالش دادن يك قطعه? آهني (قطعه‌اي که مي‌خواهيم مغناطيسي شود) با يك آهنربا (داراي ميدان مغناطيسي)؛

?. گداخته كردن يك قطعه? آهني (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد كردن آن در جهت ميدان مغناطيسي زمين؛

?. چكش‌كاري يا كشش يك قطعه? آهني در جهت ميدان مغناطيسي زمين.

? نانوپودرهاي مغناطيسي

مي‌دانيم که اندازه? مواد و پديده‌ها در مغناطيس در مقياس بسيار ريز قرار دارد. از سوي ديگر، مي‌دانيم كه يك ماده هر چه حوزه‌هاي کم‌تعدادتري داشته باشد، نيروي كمتري براي همجهت کردن حوزه‌هاي آن لازم است. اگر ماده تنها داراي يك حوزه باشد، در اين صورت ديگر نيازي به همجهت كردن آن با ديگر حوزه‌ها نيست. از آنجا‌كه قطر اين حوزه‌ها در محدوده? يک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط داراي يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوپودر به شمار رود. به اين ترتيب، ذرات نانوپودر داراي تعداد حوزه‌هاي كمي هستند و مغناطيس كردن آنها كار ساده‌اي است. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک، مي‌دانيم که موادي که از حالت طبيعي خارج شده‌اند، تمايل دارند که به حال طبيعي خود بازگردند و مغناطيس كردن يك ماده، ماده را از حالت طبيعي خود خارج مي‌کند. اما چون نانوپوردها احتياج به نيروي زيادي براي مغناطيس شدن ندارند و از حالت طبيعي خود خيلي فاصله نمي‌گيرند، پس از مغناطيس شدن، تمايل زيادي براي از دست دادن اين خاصيت و بازگشت به حالت طبيعي ندارند.

? قانون دوم ترموديناميک: بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرايند خودبه‌خودي، افزايش مي‌يابد.

اما به طور كلي با گرم كردن يك ماده? مغناطيس‌شده تا دماي كوري، حوزه‌ها به جهت‌هاي اوليه خود برمي‌گردند و خاصيت خود را از دست مي‌دهند.

دماي کوري دمايي است که در آن ماده کاملاً خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهد.

? كاربردهاي نانوپودرهاي مغناطيسي

?. ساخت آهنربا

براي ساخت آهنربا مي‌توان به روشي که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضيح داده شده است عمل كرد. يعني پودرها را تحت فشار در دماي بالا قرار داد تا به هم بچسبند و يك قطعه درست شود. چنين قطعات آهنربايي در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده مي‌شوند. جالب است بدانيد خودروهاي جديد ?? آهنرباي دائمي دارند. حركت موتورهاي DC، حركت سقف، شيشه‌هاي پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل مي‌شوند.

قطارهايي هم كه روي هوا حركت مي‌كنند، بر مبناي نيروي دافعه? بين آهنرباها در ريل و كف قطار، روي هوا مي‌ايستند. يكسو و غيرهمسو كردن جريان الكتريكي اين آهنرباها را به وجود مي‌آورد و موجب حرکت يا ترمز قطار مي‌شود.

?. قطعات آهنرباييِ کامپوزيت‌شده با پليمرها

به جاي روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصيت مغناطيسي را کم مي‌کند، مي‌توان از پليمرها كه در دماي نه چندان بالا ذوب مي‌شوند استفاده كرد. به اين شکل که پودرهاي مغناطيسيِ مذاب را در آنها بريزيم و سرد كنيم تا جامد شوند. البته پليمرها خاصيت مغناطيسي ندارند و بنابراين خاصيت مغناطيسي آهنرباي توليدشده كم مي‌شود، ولي مي‌توان از اين نوع آهنربا در جايي كه آهنربا بايد تحت ضربه كار كند، مثل درِ يخچال، استفاده كرد. (توجه کنيد که ضربه خاصيت مغناطيسي را كم مي‌كند.)

?. در محيط‌هاي ذخيره اطلاعات

يکي از مهمترين كاربردهاي پودر مغناطيسي، ذخيره? اطلاعات در كارت‌هاي اعتباري است. در اين محيط‌ها، پودر مغناطيسي به صورت ذرات ريزي که به‌سختي آهنربا مي‌شوند و به‌سختي هم خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حفظ و ماندگاري اطلاعات در چنين محيط‌هايي بسيار مهم است و پايداري خاصيت مغناطيسي در پودرها باعث مي‌شود اطلاعات حکاکي‌شده‌اي که در قالب حوزه‌هاي مغناطيسي ثبت شده‌اند از بين نروند.

نويسنده: مهدي حبيب نژاد

انجمن برق الکترونيک

......................................................................................................................

کامپيوترهاي ژنتيکي

در زمان هاي گذشته ، هر شاخه از علم ، سرش در کار خودش بود و کاري به کار بقيه نداشت. ولي در اين دوره و زمانه ، اوضاع به قدري پيچيده شده که مي شود انتظار هر اتفاقي را داشت.

نمونه آن هم دخالت علم ژنتيک در دنياي کامپيوترها و صفر و يک است. اين روزها محققان نانوفن آوري تلاش مي کنند که از DNA در مدارات الکترونيک و از جمله کامپيوترها استفاده کنند.

اولين کسي که به سرش زد از DNA در زمينه هايي غير از زيست شناسي هم مي شود استفاده کرد ، يک شيمي دان دانشگاه نيويورک بود به اسم نايمن سيمن.

از 22 سال پيش ، او به اين قضيه فکر مي کرد که چگونه مي توان اطلاعات ژنتيک موجود در DNA را براي انجام وظايف سودمند ديگر، مهندسي کرد. هر مولکول DNA کدي در داخل ساختمانش دارد که محققان مي توانند با دوباره تنظيم کردن آن ، پيوند مولکول هاي DNA با همديگر را کنترل کنند. هدف اين وصله و پينه زدن مولکول هاي DNA ، رسيدن به کارخانه هاي ميکروسکوپي است که مي توانند مولکول هاي سفارشي (مولکول هايي با خصوصيات از قبل تعيين شده) و عناصر الکترونيکي ده برابر کوچک تر (نسبت به محدوديت هاي فعلي براي اندازه عناصر الکترونيکي) توليد کنند.

هر مولکول DNA در ساختمان داخلي اش يک کد دارد که مي توان با دوباره فرموله و تنظيم کردن آن ، اتصالات مولکول هاي DNA به همديگر را کنترل کرد. هر رشته منفرد DNA ، رشته طولاني و بلندي است که از بلوک هاي بنيادين شيميايي: ادنين (A)، تايمين (T)، سايتوزين (C)و گوانين (G)تشکيل شده است.

هر موجود زنده ، يک کد ژنتيک منحصر به فرد در داخل سلول هايش دارد که با ترکيبي از حروف بالا مشخص مي شود.

دو رشته DNA مي توانند با هم ترکيب شوند و مارپيچ دوبل معروفي را که توسط کريک و واتسون در 1953 کشف شد، تشکيل بدهند. اما اين آرايش نردباني دوقلو تنها زماني مي تواند اتفاق بيفتد که بلوک هاي بنيادين داخل دو رشته با هم سازگار باشند؛ يعني پيوند A با T و پيوند C با G.

به گفته توماس لابين از دانشگاه Duke اين پيوندها مثل يک چسب هوشمند مي داند کدام قطعه ها را به هم بچسباند. لابين و گروهش با طراحي ساختاري که چند قطعه DNA داشت کارشان را شروع کردند. اين قطعه ها با هم در يک محلول آبي مخلوط مي شوند ، سپس قطعه هايي با کد سازگار با هم پيوند تشکيل مي دهند تا چند کپي از ساختار خواسته شده را شکل دهند.حتما شما هم اسباب بازي هايي را ديده ايد که قطعات شان از هم جداست و با وصل کردن آن ها به هم مثلا يک هواپيما يا ماشين ساخته مي شود. روش ترکيب شدن مولکول هاي DNA هم شبيه اين اسباب بازي هاست ، با اين تفاوت که تنها کافي است جعبه قطعات جدا از هم را تکان بدهي تا خود قطعات به صورت خودکار همديگر را پيدا کنند و به هم بچسبند!

DNA در طبيعت اغلب فقط يک زنجيره به هم پيوسته بلند دارد، ولي محققان ترجيح مي دادند شکل هاي ديگري را هم داشته باشند.

بيشتر از سي سال پيش ، زيست شناس ها کشف کردند که سلول ها در دوران اصلاح و بازسازي ،مولکول هاي DNA اي به شکل صليب مي سازند. بازوهاي کناري يا شاخه هاي اين مولکول هاي DNA کد ژنتيکي را داشتند که حرف هايش از سر و ته يکسان خوانده مي شد ؛ مثل کلمات متقارني مانند گرگ و کمک.

سيمن و گروهش اين ترتيب متقارن DNA را تغيير دادند تا يک مولکول پايدار با چهار بازو بسازند. آنها همچنين توانستند DNA با 3 ، 5 و 6 بازو بسازند.

اين اشکال چسبناک دو بعدي از سر تا ته تنها چند نانونمتر طول داشتند(هر نانومتر = يک ميليارديم متر). محققان هم چنين براي آن ها سرهاي چسبناکي طراحي کردند.

اين رشته هاي DNA با سرهاي چسبناک به عنوان وصل کننده ميان مولکول ها عمل مي کردند.اوايل امسال لابين و همکارانش با قطعات DNA صليبي شکل ، يک شبکه هاي چهار در چهار ساختند.

با اضافه کردن يک نوع پروتئين به اين شبکه ها، اين گروه توانستند قدم رو به جلويي را براي ساخت عناصر نانوالکترونيک بردارند. حالا ديگر دانشمندان مي توانستند مواد کاربردي ديگري مثل فلزات ، نيمه هادي ها و عايق ها را به اين مولکول هاي DNA ويژه اضافه کنند و کارهاي خاصي را با آن ها بکنند. مثلا همين اواخر، از اين تکنيک براي ساخت يک ترانزيستور ساده و همين طور سيم هاي فلزي استفاده شد.البته براي ساخت عناصر پيچيده تر يک مشکل وجود دارد. محققان براي اين که بار منفي DNA را پايدار نگاه دارند، يون هاي مثبت را به محلول اضافه مي کنند.

ولي ممکن است يون ها با مواد کاربردي لازم براي ساخت عناصر الکترونيکي تداخل داشته باشند. يک راه حل استفاده از مولکول هاي شبه DNA اي است که همان کد DNA قبلي را داشته باشند ولي بي بار(خنثي) باشند. سيمن مي گويد در حدود 1000 مشتق از DNA با "رنگ و بوهاي" مختلف وجود دارد که از يکي از آن ها براي اين کار مي توان استفاده کرد. ولي مشکل اين کار اين است که ساخت اين DNA جايگزين ، 10 برابر گران تر از DNA اصلي در مي آيد. البته با اوضاع فعلي که تکنيک هاي توليد تراشه ها به بن بست رسيده و نمي توان تا اندازه هاي کوچک تر از چند ده نانومتر جلوتر رفت ، اين روش سودمند است.

با استفاده از اين آرايش مولکول هاي شبه DNA ، نه تنها کامپيوترها و ديگر وسايل ما فشرده تر مي شوند، بلکه سريع تر هم مي شوند.محققان مي توانند از DNA هاي ويژه براي حرکت دادن ديگر مولکول هاي DNA هم استفاده کنند.

اولين بار در سال 0200 محققان توانستند يک DNA شبيه Vبسازند که مثل يک قيچي مولکولي عمل مي کرد، يعني دو سر اين مولکول V شکل بسته مي شد و دوباره باز مي شد. با استفاده از چنين حرکت هماهنگ مشابهي ، سيمن و همکارانش در سال 2004 يک مولکول DNA دو پا ساختند که مي توانست راه برود. چيزي که بهتر است به آن يک نانوروبات بگوييم.

لابين مي گويد در آينده ممکن است پزشک ها ماشين هاي DNA خودکار را به عنوان حسگرهاي زيستي و يا سيستم هاي تحويل دارو به بدن تزريق کنند و مکان هاي مشخصي مثل تومورها و يا لخته هاي خوني را هم هدف بگيرند. اگرچه براي عملي شدن بعضي از اين کاربردها چندين سال وقت لازم است ولي سرعت پيشرفت در اين حوزه از علم آن قدر زياد است که بعيد نيست همين فردا پس فردا به نتيجه هم برسند!

انجمن برق الکترونيک

......................................................................................................................

Symbianآشنايي با سيستم‌عامل ويژه تجهيزات موبايل

‌

علي حسيني‌

طراحان و توسعه‌دهندگان سيستم‌هاي‌عامل و نرم‌افزارهاي ويژه تجهيزات موبايل هر روز بيش از پيش، از ظرفيت بالاي اين تجهيزات استفاده مي‌كنند. تجهيزات موبايل و به‌ويژه تلفن‌هاي همراه مزاياي ويژه خود را دارند؛ براي نمونه از كوچك‌ترين كامپيوترهاي رايج، كوچك‌ترند، پيچيدگي كمتري دارند و از آنجا كه يكپارچگي بيشتري در ساختار خود دارند، كمتر دچار ايراد، به‌ويژه ايرادهاي نرم‌افزاري، مي‌شوند. از اين رو شايد تا چند سال ديگر به يك كامپيوتر كامل با قابليت‌هاي خاص تبديل شوند. Symbian سيستم‌عاملي است كه بسياري از شركت‌هاي سازنده گوشي‌هاي تلفن همراه از آن به عنوان پلتفرم استفاده مي‌كنند. از آنجا كه بيشترين گوشي‌هاي موبايلي كه در ايران از آن‌ها استفاده مي‌شود نيز داراي سيستم‌عامل سيمبيان هستند، در اين مقاله مروري بر ويژگي‌هاي آن خواهيم داشت.

سيستم‌عامل سيمبيان و سازنده آن‌

سيمبيان سيستم‌عاملي است كه توسط شركت انگليسي Symbian، براي تجهيزات سيار (mobile) طراحي شده است و با سيستم‌عامل‌هاي ديگري مانند Windows Mobile ،Palm OS و لينوكس رقابت مي‌كند. شركت سيمبيان در ژوئن 1998 در انگلستان تأسيس شد. سهامداران اين شركت در آغاز، شركت‌هاي Psion، نوكيا، اريكسون، ماتسوشيتا و موتورولا بودند. در سپتامبر 2003، موتورولا سهام خود را به شركت هاي Psion و نوكيا فروخت. در جولاي 2004 نيز سهام Psion توسط نوكيا، پاناسونيك، زيمنس و سوني‌اريكسون خريداري شد. در نتيجه اين شركت در حال حاضر در مالكيت شركت‌هاي اريكسون، نوكيا، ماتسوشيتا (پاناسونيك)، زيمنس، سوني‌اريكسون و سامسونگ است.

طراحي

پلتفرم‌هاي مختلفي براساس سيمبيان طراحي شده است كه شامل پلتفرم‌هاي باز مانند UIQ ،Nokia سري شصت، هفتاد و نود، و پلتفرم‌هاي بسته مانند NTT DoCoMo هستند. انعطاف‌پذيري اين سيستم‌عامل به آن امكان مي‌دهد روي انواع گسترده‌اي از تجهيزات موبايل پياده‌سازي شود. بزرگ‌ترين ويژگي اين سيستم‌عامل، طراحي آن براي تجهيزات كوچك دستي با منابع محدود است كه مي تواند ماه‌ها و سال‌ها روي آن اجرا شود.

به علت محدود بودن منابع حافظه در چنين تجهيزاتي، از روش‌هاي مختلفي براي استفاده بهينه از آن‌ها استفاده شده است. برنامه‌نويسي سيمبيان، رويدادگرا (event-based) است و CPU زماني كه برنامه‌هاي كاربردي مستقيماً با يك رويداد ارتباطي نداشته باشند، خاموش مي‌شود. به اين نوع برنامه‌نويسي، active objects گفته مي‌شود. چنانچه از اين روش‌ها به خوبي استفاده شود، مدت كاركرد باتري نيز افزايش پيدا مي كند. به همين علت براي دستيابي به اين ويژگي‌ها از زبان ++C براي برنامه‌نويسي و توسعه اين سيستم‌عامل استفاده شده است؛ هر چند بسياري از تجهيزات با پلتفرم سيمبيان مي‌توانند به‌وسيله زبان‌هاي ديگري چون PL ،Python، ويژوال بيسيك،Simkin و Perl نيز برنامه‌نويسي شوند.

ساختار سيمبيان

سيمبيان سيستم‌عاملي با ساختار32 بيتي است كه با امكان مديريت همزمان چند برنامه (multi-tasking) براي تجهيزات موبايل طراحي شده است. در ادامه به برخي از ويژگي‌هاي اصلي اين سيستم‌عامل اشاره مي شود.

l‌‌معماري انعطاف‌پذير مبتني‌بر مدل كلاينت- سرور و نوعي از روش برنامه‌نويسي كه از نرم‌افزارهاي هر چند فشرده، ولي قدرتمند پشتيباني مي‌كند.

l‌دسترسي بلا‌درنگ به داده‌هاي كاربر با استفاده از هسته قدرتمند چند وظيفه‌اي در پايين‌ترين سطح نرم‌افزار و نيز يك چارچوب واسط كاربر بسيار ساده در بالاترين سطح.

‌

l‌ طراحي پايدار نرم‌افزار با استفاده از مدل برنامه‌نويسي اشياي مبتني بر كامپوننت، سيمبيان را به نرم‌افزاري جامع و خاص در طراحي الگوها و چارچوب‌هاي مختلف تبديل كرده است.

lسازگاري با تجهيزات و فناوري‌هاي مختلف.

در پايين‌ترين سطح اين سيستم‌عامل، كامپوننت‌هاي اصلي قرار دارند كه شامل هسته (kernel) و كتابخانه كاربر است كه به برنامه‌هاي كاربردي سمت كاربر امكان مي‌دهد از هسته، درخواست‌هاي مختلفي بكنند.

سيمبيان داراي ساختاري موسوم به microkernel است. به‌گونه‌اي كه طراحان، كمترين نيازمندي‌هاي سيستم را در آن گنجانده‌اند تا كارايي بالايي داشته باشد.

در سطح دوم اين سيستم‌عامل، مجموعه‌اي از كتابخانه‌ها قرار دارند كه كارهاي مختلفي چون تغيير شكل و اندازه فونت‌ها، كار با بانك اطلاعاتي و فايل‌ها را به عهده دارند.

يك زيرسيستم بزرگ نيز براي كارهاي ارتباطي و شبكه‌اي وجود دارد كه شامل سه قسمت اصلي موسوم به ETel ،ESOCK و C32 است.

با استفاده از APIهاي ETel، برنامه‌هاي كاربردي مي‌توانند گستره وسيعي از گزينه‌ها را بدون‌توجه به ساختار خود تجهيزات و تجهيزات سرويس‌دهنده در اختيار كاربر نهايي قرار دهند. اين انعطاف‌پذيري بدين معني است كه توسعه‌دهندگان برنامه‌هاي كاربردي بدون توجه به نوع تجهيزات، سرويس‌ها و... مي‌توانند نرم‌افزارهاي خود را توسعه دهند. همچنين ESOCK يك Socket Server و واسط كاربر ميان كاربران و پروتكل‌هاي سمت سرور است.

C32 نيز كلاينت‌ها را از طريق يك واسط سريال RS232 به پورت سريال پياده‌سازي شده در كتابخانه‌هاي فريم‌ورك موسوم به comm server modules متصل مي كند.

همچنين براي انتقال اطلاعات در برد كوتاه از امكانات ديگري مانند بلوتوث، پورت USB و IrDA استفاده شده است. تعدادي موتور برنامه كاربردي (application engine) نيز براي برنامه‌هاي كاربردي معمول مانند تقويم، ذخيره آدرس‌ها و فهرست وظايف طراحي شده است.

امنيت‌

سيمبيان نيز از حمله ويروس‌هاي مختلف دور نمانده و به علت كاربرد گسترده آن، سوژه ويروس‌نويسان شده است. معمولاً اين ويروس‌ها خود را از طريق بلوتوث منتقل مي‌كنند. ولي اين ويروس‌ها نه با استفاده از ضعف‌هاي امنيتي سيمبيان، بلكه با استفاده از روش‌هايي مانند پرسش از كاربر براي نصب يك نرم‌افزار كه بيشتر با يك هشدار براي لزوم نصب آن همراه است، خود را به سيستم كاربر منتقل مي كنند.

Symbian 9 از مدل پيشرفته‌اي براي مقابله با ا‌ين‌گونه حمله‌ها بهره مي‌برد. در اين روش ادعا شده كه حتي اگر نرم‌افزاري روي سيستم نصب شده باشد، بدون امضاي ديجيتالي، قابليت آسيب‌زدن به سيستم، مانند دسترسي به اطلاعات كاربر، را نخواهد داشت. توسعه‌دهندگان نرم‌افزارهاي ويژه اين سيستم‌عامل مي‌توانند نرم‌افزارهاي خود را به‌وسيله برنامه Symbian Signed تأييد كنند كه در اين صورت نرم‌افزار به‌عنوان يك برنامه مجاز روي دستگاه نصب مي شود.

شركت سيمبيان چند توصيه امنيتي را نيز به كاربران اين سيستم‌عامل پيشنهاد مي كند:

‌-‌ چنانچه برايتان ممكن است اطلاعات گوشي يا سيستم موبايل خود را به كامپيوتر خود نيز منتقل كنيد تا يك بك‌آپ از آن در اختيار داشته باشيد.

‌-‌ اتصال بلوتوث را تنها زماني كه به آن نياز داريد، در حالت visible قرار دهيد. روشن نگاه داشتن بلوتوث به اين معني است كه هركسي در محدوده ده متري شما قابليت تماس با دستگاه شما را دارد.

-‌ در يك گوشي مبتني‌بر سيستم‌عامل سيمبيان هرگاه پيامي از طريق بلوتوث براي شما ارسال ‌شود، پيام?RECEIVE MESSAGE نيز نمايش داده مي‌شود. چنانچه نمي‌دانيد پيغام از سوي چه كسي فرستاده شده است يا انتظار دريافت آن را نداشته‌ايد، هرگز گزينه YES را انتخاب نكنيد. چنانچه با وجود انتخاب گزينه NO پيغام از روي نمايشگر حذف نشد، مكان خود را تغيير دهيد و دستگاه را به مد hidden سوييچ كنيد.

-‌ برنامه‌هاي كاربردي را تنها از منابع مطمئن مانند وب سايت شركت سازنده گوشي يا وب‌سايت‌هايي مانندHandgo.com ،AllAboutSymbian.com ،My-Symbian.com و ديگر وب‌‌‌سايت‌هاي مطمئن ارائه‌دهنده برنامه‌هاي كاربردي دانلود كنيد.

-‌ زماني كه يك برنامه كاربردي روي گوشي خود نصب مي كنيد، جزئيات آن مانند نام نرم‌افزار و سازنده آن نيز نشان داده مي‌شود. با استفاده از اين اطلاعات مي‌توانيد از نصب برنامه‌هايي كه ماهيت آن‌ها مشخص نيست، خودداري كنيد. همچنين هنگام اتصال به اينترنت يا شبكه‌هاي ديگر، مي‌توان از نرم‌افزارهاي امنيتي ديگري نيز استفاده كرد. براي نمونه شركت سيمانتك، سازنده نرم‌افزارهاي امنيتي، آنتي‌ويروس و فايروال ويژه‌اي براي گوشي‌هاي سري شصت و هشتاد شركت نوكيا طراحي كرده است.

توسعه نرم‌افزارهاي مبتني بر سيمبيان‌

سيمبيان، يك نرم‌افزار باز ولي نه به معناي اپن‌سورس است؛ يعني سورس كد آن در دسترس عموم نيست. در مقابل، تقريباً همه سورس كد آن، در اختيار شركاي اين شركت و شركت‌هاي سازنده گوشي‌هاي موبايل كه از اين پلتفرم استفاده مي‌كنند قرار دارد. همچنين APIهاي آن عموماً به صورت مستند شده در دسترس است و هر كسي مي‌تواند براي توسعه نرم‌افزارهاي مبتني‌بر سيمبيان از آن‌ها استفاده كند.

شكل 1- نرم‌افزار Adobe Reader در گوشي هاي 6680 شركت نوكيا

پلتفرم‌هاي مختلفي مبتني‌بر سيستم‌عامل سيمبيان وجود دارند كه يك كيت توسعه نرم‌افزار (SDK) در دسترس توسعه‌دهندگان برنامه‌هاي كاربردي قرار مي‌دهند.

شركت‌هاي بزرگ سازنده نرم‌افزار نيز نرم‌افزارهاي مختلفي را براي اين سيستم‌عامل طراحي مي‌كنند كه برخي از آن‌ها پيش از اين در كامپيوترهاي شخصي نيز مورد استفاده قرار مي‌گرفته‌اند.

براي نمونه شركت ادوبي، سازنده نرم‌افزار Adobe Reader، نسخه‌اي از آن را براي پلتفرم سيمبيان توليد كرده است كه به كاربران امكان مي‌دهد از فايل‌هاي PDF در گوشي‌هاي نوكيا 6680 و دستگاه‌هاي Nokia Communicator سري 9500 و نيز 9290.9210 استفاده كنند. اين نرم‌افزار را مي‌توان از طريق اينترنت، به صورت ضميمه ايميل يا از كامپيوتر روي سيستم مبتني‌بر سيمبيان نصب كرد. در شكل 1، اينترفيس اين نرم‌افزار را روي نمايشگر يك گوشي نوكيا 6680 مي بينيد.

همچنين UIQ، پلتفرمي نرم‌افزاري براساس سيستم‌عامل سيمبيان است كه توسط شركت UIQ Technology ساخته شده است. در واقع، UIQ يك لايه واسط كاربر گرافيكي است كه امكان افزودن كامپوننت‌هاي مختلف به بخش اصلي سيستم‌عامل را فراهم مي‌كند. يكي از جالب‌ترين امكانات براي توسعه‌دهندگان و برنامه‌نويسان اين پلتفرم، امكان برنامه‌نويسي بومي با ++C است؛ چرا كه هم خود سيستم‌عامل و هم پلتفرم توسعه آن با اين زبان نوشته شده است و به همين علت بالاترين كارايي را براي برنامه‌هاي كاربردي فراهم مي‌آورد. UIQ3 تازه‌ترين نگارش اين پلتفرم است