مهندسي برق (به انگليسي: Electrical engineering) زيرمجموعه‌اي از مهندسي است كه به مطالعه و كاربردهاي مرتبط با الكتريسيته، الكترومغناطيس و الكترونيك مي‌پردازد. مي‌توان مهندسي برق را به دو قسمت عمده تقسيم كرد: بررسي و طراحي سيستمهاي انتقال و تبديل انرژي الكتريكي ؛ و يا بررسي و طراحي سيستمهاي الكترونيكي براي پردازش و انتقال اطلاعات، نظير رايانه‌ها، سامانه‌هاي مخابراتي، مدارهاي مجتمع، رادارها و نظاير آن. به بيان ديگر، مهندسان برق از الكتريسيته يا براي انتقال انرژي و يا براي پردازش اطلاعات استفاده مي‌كنند.
فراگيرتر شدن استفاده از انرژي الكتريكي و افزايش نياز به انتقال و نيز پردازش سريعتر اطلاعات، مهندسي برق را به يكي از مهم‌ترين و پرتقاضاترين زمينه‌هاي مهندسي و صنعت تبديل كرده است.
تاريخچه
الكتريسيته يكي از موضوعات جذاب علمي از اوايل قرن هفدهم بوده است. يكي از اولين مهندسين برق احتمالاً ويليام گيلبرت بوده است كه اولين وسيله اندازه گيري الكتريسيته يا الكتروسكوپ را طراحي كرد و آن را ورسوريوم(versorium)ناميد. همچنين او اولين كسي بود كه به طور واضح مغناطيس و الكتريسيته‌ي ساكن را تميز داد.
تا پيش از حدود دهه‌ي ۱۸۸۰، مباحث مربوط به الكتريسيته و كاربردهاي آن، زيرمجموعه‌اي از فيزيك تلقي مي‌شد. اين رشته اولين بار در نيمه ي دوم قرن نوزده ميلادي ،بعد از تجاري سازي تلگراف ، تلفن و توزيع برق و استفاده هاي آن به عنوان يك شغلِ شناخته شده مطرح شد. از حدود سال ۱۸۸۵ برخي دانشگاه‌ها و موسسات فناوري مانند دانشگاه كرنل و يا موسسه فناوري ماساچوست، رشته‌ي كارشناسي مهندسي برق را ايجاد نمودند. دانشگاه فني دارمشتات اولين دانشگاهي بود كه در سال ۱۸۸۲ دانشكده مهندسي برق را ايجاد كرد و پس از آن دانشگاه كرنل و ديگر دانشگاه‌ها اين رشته را ارائه نمودند.
گرايشهاي مقطع كارشناسي در ايران
رشته مهندسي برق در مقطع كارشناسي داراي ۵ گرايش زير است. در برخي دانشگاه‌ها ٬ گرايش دانشجو پس از گذراندن ۳ تا ۵ ترم مشخص مي‌شود.
مهندسي قدرت
مهندسي الكترونيك
مهندسي مخابرات
مهندسي كنترل
مهندسي پزشكي (بيوالكتريك ـ در برخي دانشگاه‌ها)
در دانشگاه هاي صنعتي شريف٬ تهران و صنعتي اميركبير گرايش سيستمهاي ديجيتال (كه در تقسيم‌بندي پنج‌گانه ٬ زيرمجموعه‌اي از گرايش الكترونيك محسوب مي‌شود) به ۵ گرايش فوق اضافه شده‌است در دانشگاه صنعت آب و برق٬ علاوه‌بر گرايش قدرت٬ گرايش شبكه‌هاي انتقال و توزيع ايجادشده‌است كه تركيبي از گرايش قدرت و مباحث مربوط به شبكه سراسري برق و مديريت توزيع و مصرف مي‌باشد.
مباحث اصلي
به‌طور كلي، مباحث اصلي مهندسي برق (عمدتاً در دوره‌ي كارشناسي ) موارد زير هستند:
معادلات ديفرانسيل، جبر خطي و تحليل فوريه
پردازش سيگنال (پيوسته و گسسته‌زمان)
مدارها و سيستمهاي الكترونيكي آنالوگ
مدارها و سيستمهاي الكترونيكي ديجيتال، ريزپردازنده‌ها
الكترومغناطيس، امواج الكترومغناطيسي و آنتن‌ها
ماشين‌هاي الكتريكي (موتورها، ژنراتورها و ترانسفورمرها)
سيستمهاي انتقال انرژي الكتريكي
سيستمهاي مخابراتي و انتقال اطلاعات (آنالوگ و ديجيتال)
سيستمهاي كنترل و رباتيك
مدار هاي الكتريكي ۱و۲ ، سيگنال ها و سيستم ها ، الكترونيك ۱و۲ ،مدار هاي منطقي ، الكترومغناطيس ، معادلات ديفرانسيل ، رياضيات مهندسي ، آمار و احتمالات ، ماشين هاي الكتريكي ۱و۲ ، بررسي سيستم هاي قدرت ۱ برخي از دروسي است كه دانشجويان تمام گرايش هاي مهندسي برق در مقطع كارشناسي موظف به گذراندن آن هستند.
گرايش قدرت
مهندسي قدرت با ٬توليد ٬انتقال و توزيع انرژي الكتريكي و ساخت برخي دستگاه‌هاي مربوط به آن نظير ترانسفورمرها ٬ ژنراتورهاي الكتريكي ٬ موتورهاي الكتريكي و تجهيزات الكترونيكي مورد نياز سروكار دارد.
اين گرايش، به عنوان قديمي ترين گرايش در رشته مهندسي برق، خود به چندين زيرگرايش تقسيم مي‌شود.
در مبحث انتقال و توزيع، روشهاي مختلف انتقال برق اعم از كابل‌هاي هوايي و زيرزميني، اصول مهندسي فشار قوي و همچنين مديريت شبكه توزيع و توزيع بهينه را مطالعه مي‌كنند.براي مثال ٬مي‌توان با بهينه‌سازي شبكه‌هاي برق‌رساني ٬ تا حد زيادي از تلفات در شبكه جلوگيري نمود كه اين‌كار موضوع اين گرايش از مهندسي قدرت است.
مبحث حفاظت نيز به بررسي انواع وسايل و تجهيزات حفاظتي‌اي مي‌پردازد كه در مراحل مختلف توليد، توزيع، انتقال و مصرف انرژي، و تاسيسات الكتريكي و نيز انسان‌ها را در برابر حوادث مختلف محافظت مي‌كنند.
گرايش ماشين‌هاي الكتريكي شامل ژنراتورها، ترانسفورمرها و موتورهاي الكتريكي مي‌شود كه اين شاخه از زمينه‌هاي مهم صنعتي و پژوهشي گرايش قدرت است.
گرايش الكترونيك قدرت به طراحي و بهره‌برداي از تجهيزات الكترونيكي ويژه سيستمهاي قدرت مي‌پردازد.اين تجهيزات بايد با ولتاژ و جريان‌هاي بالا سازگار باشند. ماشين‌هاي الكتريكي ۳، بررسي سيستمهاي قدرت ۲، حفاظت سيستم، رله و حفاظت، اصول مهندسي عايق و فشار قوي، توليد و نيروگاه، طراحي و توسعه شبكه و مديريت توزيع از اصلي‌ترين دروس اين گرايش مي‌باشند.
گرايش الكترونيك
الكترونيك علمي است كه به بررسي حركت الكترون در خلاء در مواد رسانا و يا نيمه رسانا و اثرات و كاربردهاي آن مي‌پردازد. با توجه به اين تعريف، مهندس الكترونيك در زمينه ساخت قطعات الكترونيك و كاربرد آن در مدارها، فعاليت مي‌كند. البته متأسفانه به علت عدم توانايي رقابت در بازار با برند هاي مشهور موجود، در ايران درسطح وسيع، توليد قطعات الكترونيكي صورت نمي‌گيرد.
به عبارت ديگر، زمينه فعاليت مهندسي الكترونيك را مي‌توان به دو شاخه اصلي «ساخت قطعات و كاربرد مداري قطعه» و «طراحي مدارهاي الكتريكي» تقسيم كرد.
تكنيك پالس، الكترونيك ۳، ميكروپروسسور، معماري كامپيوتر، مدارهاي مخابراتي، فيزيك مدرن و فيزيك الكترونيك از جمله دروس اصلي گرايش الكترونيك محسوب مي‌شوند.
گرايش مخابرات
هدف از مخابرات ارسال و انتقال اطلاعات از نقطه‌اي به نقطه ديگر است كه اين اطلاعات مي‌تواند صوت، تصوير يا داده‌هاي كامپيوتري باشد.
مخابرات، گرايشي از مهندسي برق است كه در حوزه ارسال و دريافت اطلاعات از روشهاي موجي و مخابراتي فعاليت مي‌كند. مهندسي مخابرات با ممكن ساختن ايجاد ارتباط پرسرعت ٬امن و آسان بين دو يا چند كاربر در مكان‌هاي مختلف ، زندگي انسان را متحول ساخته است.از آثار گسترش مهندسي مخابرات مي‌توان به راديو و تلويزيون٬ اينترنت و ماهواره‌هاي ارتباطي و يا تحقيقاتي(مخابرات فضايي) اشاره كرد.
مهندسي مخابرات از دو قسمت عمده‌ي مخابرات ميدان و سيستمهاي مخابراتي تشكيل مي‌شود.دروس اصلي اين گرايش در مقطع كارشناسي عبارت است از : ميدان و امواج ، مايكروويو و آنتن ، فيلتر وسنتز مدار ( مرتبط يا مخابرات ميدان ) مخابرات ديجيتال و اصول پردازش سيگنال هاي گسسته در زمان ( مرتبط با گرايش سيستم هاي مخابراتي ).
گرايش مخابرات ميدان
در مبحث ميدان، مهندسان با ارسال ٬انتشار و دريافت امواج الكترومغناطيسي از طريق يك كانال مخابراتي (كه مي‌تواند فضاي آزاد در مخابرات بي‌سيم و يا يك فيبر نوري در مخابرات فيبر نوري باشد) و فرستنده و گيرنده (كه مي‌تواند يك آنتن ماهواره در مخابرات ماهواره‌اي و يا يك مدار الكترونيكي در مخابرات فيبر نوري باشد) سروكار دارند. به عبارت ديگر ٬ مي‌توان گفت مهندسين ميدان به‌طور عمده با جنبه‌ي فيزيكي چگونگي انتقال امواج حاوي اطلاعات ٬ از نقطه‌اي به نقطه‌ي ديگر روبه‌رو هستند.بدين‌ترتيب مهندسي مخابرات ميدان ٬ رابطه زيادي با فيزيك كاربردي (در قسمت الكترومغناطيس) دارد.
برخي از دروس گرايش مخابرات ميدان در مقطع كارشناسي ارشد عبارت است از الكترومغناطيس پيشرفته ، رياضيات مهندسي پيشرفته ، اجزاء نيمه هادي مايكروويو ، طراحي مدارات فعال مايكروويو ، فيبر نوري ، تئوري پراكندگي امواج و روش هاي عددي در الكترومغناطيس .
گرايش سيستمهاي مخابراتي
مساله پردازش و بهينه‌سازي اين سيگنال اطلاعات ــ جداي از اينكه شكل فيزيكي اين سيگنال چگونه است ــ موضوع مهندسي سيستمهاي مخابراتي است. در گرايش مخابرات سيستم٬ به طور عمده با سيگنال اطلاعات به صورت يك تابع رياضي برخورد مي‌كنند.در اين مبحث ، مهندسان با رياضيات مربوط به نظريه اطلاعات و نيز پردازش سيگنال براي آماده‌سازي آن جهت ارسال از طريق مورد نظر(آنتن٬ فيبر نوري٬ موج‌بر و ...) ٬و در كل ٬ طراحي و بهبود سامانه‌هاي مخابراتي جهت دستيابي به سرعت و امنيت و قابليت اطمينان بيشترسروكار دارند. براي مثال مي‌توان به بهينه‌سازي و مقاوم سازي سيگنال دربرابر نويز و رمزگذاري اطلاعات جهت امنيت ارسال و بهينه‌سازي آن اشاره كرد. بدين‌ترتيب مهندسي سيستمهاي مخابراتي ٬ رابطه زيادي با رياضيات كاربردي دارد.
دروس گرايش سيستم هاي مخابراتي در مقطع كارشناسي ارشد بسيار متنوع است. برخي از اين دروس عبارتند از : فرايند تصادفي ، مخابرات پيشرفته ، تئوري اطلاعات ، تئوري كدينگ ، تئوري تخمين و آشكارسازي ، تئوري صف ، اصول سيستم هاي رادار ، مخابرات ماهواره اي ، پردازش صحبت ، پردازش تصوير و ويدئو ، پردازش زمان - فركانس ، مخابرات نوري ، فيبر نوري ، انتقال داده و شبكه هاي كامپيوتري ، شبكه مخابرات داده.
گرايش كنترل
اگر بخواهيم يك تعريف كلي از كنترل ارائه دهيم، مي‌توانيم بگوييم كه هدف اين علم، كنترل متغيرهاي اساسي سيستم (كه متغيرهاي خروجي مي‌تواند تنها بخشي از اين متغيرها باشد) بر مبناي برخي ملاكهاي مطلوب مي‌باشد. اين ملاكها مي‌تواند سرعت يك موشك، دماي يك اتاق، زاويه‌ي چرخش بازوي ربات و... باشد. به عنوان يك مثال ساده مي‌توان كنترل زمان اوج گيري يك هواپيماي جنگنده را در نظر گرفت.در اين مثال٬ زاويه پره‌هاي هواپيما، ميزان سوخت تزريقي و ساير متغيرهاي تاثيرگذار بايستي با روشهاي رياضي محاسبه و سيستم كنترل‌كننده به دقت طراحي شود تا بتوان زمان عكس‌العمل سيستم را كاهش داد و آن را در برابر اثرات نويز محيط ( مانند وزش باد يا ...) مقاوم كرد.
كنترل، در پيشرفت علوم ديگر نقش ارزنده‌اي را ايفا مي‌كند. به طور كلي مي‌توان گفت مهندسي كنترل حلقه اتصال ميان مهندسي برق و رشته‌هاي ديگر مي‌باشد. امروزه مهندسي كنترل به صورت بخش اصلي و مهمي از فرايندهاي صنعتي و توليدي درآمده‌است.
به كمك اين علم مي‌توان به عملكرد بهينه سيستمهاي پويا، بهبود كيفيت و ارزان‌تر شدن فراورده‌هاي توليدي، گسترش ميزان توليد، ماشيني كردن بسياري از عمليات تكراري و خسته‌كننده دستي و نظاير آن دست يافت. هدف سيستم كنترل‌كننده عبارت است از كنترل خروجي‌ها(مانند زاويه‌ي حمله‌ي موشك هدايت‌شونده) به روش معين به كمك ورودي‌ها(مانند سيگنال دريافتي از رادار موشك) از طريق اجزاي سيستم كنترل كه مي‌تواند شامل اجزاي الكتريكي، مكانيكي و شيميايي به تناسب نوع سيستم كنترل باشد.
يكي از مفاهيم پركاربرد در اين رشته مفهوم پسخورد (فيدبك) مي‌باشد. پسخورد در واقع اندازه گيري متغيرهاي خروجي و استفاده از اين متغيرهاي اندازه گيري شده براي اصلاح متغير ورودي سيستم مي‌باشد.براي مثال ٬ در يك سيستم سرمايشي٬ يك سنسور٬ كه در واقع يك دماسنج است٬ دماي اتاق را اندازه‌گيري مي‌كند تا سيستم بتواند از دما مطلع شده و از كاهش يا افزايش بيش از اندازه دما جلوگيري كند. با استفاده از سيستمهاي داراي پسخورد مي‌توان بسياري از فرايندهاي صنعتي را به صورت خودكار كنترل كرد. اتوماسيون صنعتي بخشي از رشته كنترل مي‌باشد كه بر پايه سيستمهاي فيدبك‌دار توانسته‌است صنعت مدرني را پايه گذاري كند.
گفتني است كه گرايش كنترل داراي زير بخش‌هاي متنوعي مانند كنترل خطي، كنترل غيرخطي،كنترل مقاوم،كنترل تطبيقي،كنترل ديجيتال،كنترل فازي و غيره‌است.
از دروس اصلي اين گرايش مهندسي برق مي‌توان به كنترل ديجيتال و كنترل غيرخطي، كنترل مدرن، كنترل صنعتي، ابزار دقيق، اصول ميكروكامپيوتر، ترموديناميك، مباني تحقيق در عمليات، سيستم هاي كنترل پيشرفته و سيستمهاي كنترل خطي اشاره كرد.
وضعيت تحصيل در مقاطع بالاتر از كارشناسي
فارغ التحصيل در مقطع كارشناسي برق كه مدرك خود را در يكي از چهار گرايش الكترونيك، مخابرات، قدرت و كنترل مي‌گيرد، مي‌تواند در يكي از اين گرايشها (اختياري) يا رشته‌اي كه برق زير مجموعه‌اي براي آن تعريف شده، ادامه تحصيل نمايد. اين رشته به صورت: مهندسي برق- الكترونيك(سه گرايش طراحي آنالوگ، مدارهاي ديجيتال، ادوات ميكرو و نانو الكترونيك)، برق- قدرت، برق- مخابرات (شامل گرايشهاي: ميدان و مايكروويو نوري، سيستم،رمز، شبكه) برق- كنترل، مهندسي پزشكي (گرايش بيوالكتريك)،مهندسي مكاترونيك (شامل گرايش هاي:انسان جنبي ماشين،كنترل،رباتيك) مهندسي هسته‌اي (دو گرايش مهندسي رآكتور و مهندسي پرتو پزشكي، مهندسي كامپيوتر (معماري كامپيوتر، هوش مصنوعي و رباتيك) است. براي تحصيل در مقطع دكتراي تخصصي، مي‌توان، در هر يك از زيرشاخه‌هاي تخصصي‌تر گرايشهاي ياد شده ميزان مورد نياز واحدها را اخذ كرد و رساله دكتري را در همان موضوع خاص ارائه داد. مسلم است اين زير شاخه‌ها، گرايشهاي تخصصي تر اين چهار گرايش است. رشته برق به دليل كاربردي بودن آن در بسياري از علوم مهندسي ديگر، براي فارغ التحصيلان امكان تحصيل در بسياري گرايشها و دانشها را فراهم مي‌كند.