วิศวกรรมไฟฟ้า
จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
วิศวกรรมไฟฟ้า (Electrical Engineering) เป็นสาขาที่ศึกษาทฤษฏีและการประยุกต์ใช้ ไฟฟ้า, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ผู้ที่ประกอบวิชาชีพในสาขานี้เรียกว่า วิศวกรไฟฟ้า สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้าเป็นสาขาที่กว้างประกอบไปด้วยหลายสาขาย่อย
สารบัญ |
[แก้] ประวัติศาสตร์ วิวัฒนาการ และ บุคคลสำคัญ
การค้นพบไฟฟ้าสถิตนั้นมีมาตั้งแต่ยุคกรีกโบราณ แต่จุดเริ่มของทฤษฎีทางไฟฟ้ายุคใหม่ นั้นนับเริ่มต้นจากผลงานของ เบนจามิน แฟรงกลิน ในการทดลองชักว่าวผ่านเมฆฝน ในปี ค.ศ. 1752 เพื่อเก็บประจุไฟฟ้าจากเมฆฝน และใช้ในการพิสูจน์ว่าฟ้าผ่านั้นเป็นกระแสไฟฟ้า เบนจามิน แฟรงกลิน (หรืออาจเป็น Ebenezer Kinnersley) นั้นได้สร้างแนวความคิดของประจุบวก และ ประจุลบ
งานของเบนจามิน แฟรงกลินนั้นเป็นจุดเริ่มต้นของการค้นพบที่สำคัญทางไฟฟ้าในยุคถัดมา ทั้ง ลุยจี กัลวานี (Luigi Galvani), อาเลสซันโดร วอลตา (Alessandro Volta), อองเดร-มารี อองแปร์ (André-Marie Ampère), เกออร์ก ซีโมน โอห์ม (Georg Simon Ohm) และ ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday)
โดยในปี ค.ศ. 1792 นั้น กัลวานี ได้ค้นพบกระแสไฟฟ้าในสิ่งมีชีวิต ซึ่งงานนี้ได้ทำให้วอลตานั้นสามารถประดิษฐ์ โวลตาอิกไพล์ (voltaic pile) ซึ่งเป็นต้นแบบของแบตเตอรีไฟฟ้า ได้ในปี ค.ศ. 1800 ต่อมาในปี ค.ศ. 1820 จากการสังเกตุพบความสัมพันธ์ของไฟฟ้าและแม่เหล็ก ของ ฮันส์ คริสเทียน ออร์สเตด (Hans Christian Ørsted) ในการทดลองที่กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านขดลวดสามารถเบนเข็มแม่เหล็กของเข็มทิศได้นั้น อองแปร์ได้ทำการศึกษาถึงความสัมพันธ์นี้และสร้างเป็น กฎของแอมแปร์ ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้านั้นถูกค้นพบโดยโอห์มในปี ค.ศ. 1827 เรียกกฎของโอห์ม หลังจากนั้นในปี ค.ศ. 1831 ฟาราเดย์ได้ค้นพบความสัมพันธ์การเหนี่ยวนำของแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและการกำเนิดกระแสไฟฟ้าในขดลวด ซึ่งรู้จักกันในนาม กฎของฟาราเดย์ ในปี ค.ศ. 1864 เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้รวบรวมความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและไฟฟ้า ในรูปชุดของสมการทางคณิตศาสตร์ เรียกสมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งเป็นหัวใจของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic หรือ electrodynamic) ในปัจจุบัน
ทั้ง ทอมัส เอดิสัน และ นีโกลา เทสลา นั้นนับได้ว่าเป็นบุคคลที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในวิวัฒนาการของระบบไฟฟ้า เนื่องจากเป็นผู้ที่ริเริ่มการผลิตกระแสไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์
โดยเอดิสันนั้นได้พัฒนาระบบผลิตและจ่ายไฟฟ้า ซึ่งเป็นไฟฟ้ากระแสตรงในปี ค.ศ. 1880 ซึ่งต่อมา เทสลาได้พัฒนาระบบผลิตและจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับแบบหลายเฟส ขึ้นในปี ค.ศ. 1888 นอกจากนี้แล้วทั้งสองคนนี้ยังได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ไฟฟ้าที่สำคัญอีกมากมาย
ไฮน์ริค เฮิรตซ์ นั้นเป็นผู้หนึ่งที่มีส่วนสำคัญในการพัฒนาสมการของแมกซ์เวลล์ให้สมบูรณ์ และเป็นบุคคลแรกที่ได้ทำการทดลองแสดงให้เห็นถึงการแผ่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยได้สร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณวิทยุ ซึ่งผลงานของเฮิรตซ์นี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุ
[แก้] ประวัติิ การศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้า ในประเทศไทย
การศึกษาในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า เริ่มต้นที่ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ในปี พ.ศ. 2476 คณะเริ่มเปิดสอนหลักสูตรปริญญาบัณฑิต ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า ได้รับความช่วยเหลือจากมูลนิธิร็อคกีเฟลเลอร์ โดยทางมูลนิธิ ได้ส่ง ดร.ชารล เอม.สัน. เกวอรฺต ชาวสวีเดน ซึ่งได้รับปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา มาช่วยจัดหลักสูตรการสอน และเป็นหัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าไปด้วย ในปี พ.ศ. 2478 ก็มีผู้จบการศึกษาและเข้ารับพระราชทานปริญญาวิศวกรรมศาสตร์ สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า เป็นครั้งแรก จำนวน 12 คน
[แก้] สาขาย่อย
ถึงแม้ว่าวิศวกรรมไฟฟ้านั้นประกอบไปด้วยสาขามากมาย แต่ทุกสาขาจะมีจุดร่วมคือ จะมีความเกี่ยวพันกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า บางสาขานั้นจะมีการใช้งานสมการของแมกซ์เวลล์โดยตรง ในการทำงานเกี่ยวกับคลื่นวิทยุ บางสาขาก็ทำงานเกี่ยวกับการผลิตและส่งถ่ายพลังงานไฟฟ้า บางสาขาเกี่ยวกับการวิเคราะห์และจัดการกับสัญญาณไฟฟ้า ทั้งนี้จะรวมถึงแง่มุมต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นทฤษฎี การประยุกต์ใช้งาน และ อุปกรณ์ ที่เกี่ยวข้อง
[แก้] ไฟฟ้ากำลัง
ไฟฟ้ากำลัง เป็นสาขาที่เกี่ยวข้องกับ การผลิต การส่ง และ การจ่ายพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเกี่ยวข้องตั้งแต่โรงงานผลิตไฟฟ้า ส่งกำลังผ่านโครงข่ายสายส่งไฟฟ้า ไปยังผู้บริโภคทั้งที่เป็นอุตสาหกรรม แหล่งธุรกิจ และ บ้านเรือนที่พักอาศัย
สาขานี้จะเกี่ยวพันกับทั้ง โครงข่ายสายส่ง และอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการส่งกำลังไฟฟ้า ที่ศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าที่ศักย์ไฟฟ้าตามบ้านมาก ตั้งแต่หลายพันโวลต์ จนถึง หลายแสนโวลต์ และส่งกำลังหลายล้านวัตต์
ทุกวันนี้ สาขานี้ยังรวมไปถึงเศรษฐศาสตร์ ของไฟฟ้ากำลังอีกด้วย ทั้งการวิเคราะห์และคาดหมายปริมาณการบริโภคเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้า และ รูปแบบโครงสร้างเสรีในการซื้อขายกำลังไฟฟ้า
[แก้] สื่อสาร/โทรคมนาคม
สาขานี้เป็นสาขาที่เกี่ยวพันโดยตรงกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเกี่ยวข้องกับการส่งข้อมูลในรูปสัญญาณจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในรูปสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ว่าจะส่งผ่านสื่อตัวกลางซึ่งอยู่ในรูป สายตัวนำ หรือ สายใยแก้ว หรือ ผ่านอากาศในรูปคลื่นวิทยุ
ซึ่งนอกเหนือจากในแง่ทางกายภาพของอุปกรณ์รับส่ง และ สื่อตัวกลาง แล้วยังรวมถึงสถาปัตยกรรมของระบบสื่อสาร ทั้งในแง่โครงสร้างโดยรวมทางกายภาพของเครือข่าย และ สถาปัตยกรรมทางซอฟต์แวร์ เช่น โครงสร้างเครือข่ายระบบเซลลูลาร์ โครงสร้างเครือข่ายระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม โครงสร้างเครือข่ายระบบสื่อสารด้วยใยแก้วแบบต่างๆ รวมถึงโปรโตคอล เทคโนโลยีการมัลติเพล็กซ์ และ การเข้ารหัสของช่องสัญญาณแบบต่างๆ
[แก้] อิเล็กทรอนิกส์
สาขาย่อยอิเล็กทรอนิกส์นี้ เดิมทีเป็นสาขาที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ และ ทดสอบวงจรไฟฟ้า ซึ่งสร้างจากอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่หลอดสูญญากาศ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ขดลวดเหนี่ยวนำ จนถึง อุปกรณ์จากสารกึ่งตัวนำเช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และ อื่นๆ เพื่อให้เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานตามจุดประสงค์ที่ต้องการ เช่น เป็นวงจรรับวิทยุ วงจรเครื่องขยายเสียง
จุดเริ่มต้นของสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ถือเริ่มจากการประดิษฐ์หลอดสูญญากาศ Audion ในปี ค.ศ. 1907 โดย Lee de Forest ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำคัญที่ใช้ในการสร้างวงจรรับส่งสัญญาณ ก่อนการค้นพบ ทรานซิสเตอร์ โดย วิลเลียม ช็อคลีย์ (William Schockley) ที่ ศูนย์วิจัยเบลล์ (Bell Labs) ซึ่งเป็นวิวัฒนาการที่สำคัญ ทำให้สามารถสร้างวงจรต่างๆ ในขนาดเล็กลง และประหยัดไฟฟ้า
ในปัจจุบันวงจรอิเล็กทรอนิกส์เป็นจำนวนมากนั้นจะอยู่ในรูป ที่เรียกว่า วงจรรวม(integrated circuit) ซึ่งวงจรทั้งหมดนั้นจะถูกสร้างอยู่บนแผ่นสารกึ่งตัวนำ เรียก ชิพ(chip) ซึ่งบนแผ่นสารกึ่งตัวนำซึ่งโดยทั่วไปจะมีขนาดประมาณเท่าเหรียญนี้ จะประกอบไปด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะทรานซิสเตอร์จำนวนนับล้าน ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นยิ่งมีขนาดที่เล็กลง และ ประหยัดไฟมากขึ้น
การออกแบบวงจรรวมนี้ นอกจากการออกแบบตัววงจรแล้ว ยังรวมไปถึงการแปลงแผนภูมิวงจร(schematic) ให้อยู่ในรูปแผนภูมิเพื่อการสร้างบนแผ่นสารกึ่งตัวนำ(layout) ซึ่งการแปลงนี้จะมีการใช้คอมพิวเตอร์เข้าช่วย
กระบวนการในการผลิต วงจรรวมก็เป็นสาขาย่อยหนึ่งที่สำคัญในปัจจุบัน เนื่องมาจากเทคโนโลยีในการผลิตนี้(ดู photolithography) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ในขนาดที่เล็กมากเป็น ไมโครเมตร หรือ นาโนเมตร นอกจากนั้นเทคโนโลยีนี้ยังเกี่ยวข้องเทคโนโลยีร่วมระหว่างสาขาไฟฟ้าและ เครื่องกล คือ ไมโครเทคโนโลยี(MEMS) ซึ่งเป็นการออกแบบอุปกรณ์กลไกขนาดไมโครเมตร ในวงจรรวม
[แก้] ระบบควบคุม
วิศวกรรมระบบควบคุม เป็นสาขาที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎี และ เทคโนโลยี ในการวิเคราะห์ และ ควบคุม พฤติกรรมของระบบต่างๆ ให้เป็นไปตามความต้องการ. ถึงแม้เทคโนโลยีระบบควบคุมนี้จะมีใช้อยู่อย่างกว้างขวาง ในอุปกรณ์ในชีวิตประจำวัน แต่มักจะเป็นส่วนที่อยู่เบื้องหลัง ไม่ได้เป็นที่สังเกตเห็นเด่นชัด เช่น อุปกรณ์ควบคุมระดับน้ำในถังชักโครก ระบบควบคุมอุณหภูมิเครื่องปรับอากาศ ระบบควบคุมมอเตอร์ของฮาร์ดดิสก์และเครื่องเล่นแผ่นซีดี ระบบควบคุมความเร็วรถยนต์ (Cruise control) ไปจนถึง ระบบควบคุมต่าง ๆ ในกระบวนการผลิตอุตสาหกรรม ระบบควบคุมการบิน และ อื่น ๆ อีกมากมาย
วิศวกรรมระบบควบคุม นี้จะเกี่ยวข้องกับการ วิเคราะห์ระบบ และ ออกแบบระบบควบคุม โดยมีพื้นฐานจากแบบจำลองทางคณิตศาตร์ ของระบบ เครื่องมือวัด และ ตัวควบคุม การประยุกต์ใช้งานจริงนั้นจะประกอบจากการใช้เทคโนโลยีต่าง ๆ ของเครื่องมือวัด และ ตัวควบคุม ซึ่งโดยส่วนใหญ่ (แต่ไม่จำกัดเฉพาะ) จะเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า เนื่องจากสามารถออกแบบให้มีการทำงานที่ซับซ้อนและขนาดเล็ก หรือ ใช้คอมพิวเตอร์ในการควบคุมที่ซับซ้อน
[แก้] สาขาอื่นๆ
นอกจากนี้แล้ววิศวกรรมไฟฟ้ายังอาจมีสาขาย่อยอื่น ๆ อีก เช่น
- เครื่องมือวัด
- การประมวลผลสัญญาณดิจิตัล
- ออปติค
[แก้] ดูเพิ่ม
- สถาบันวิชาชีพวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)
- วิศวกรรมคอมพิวเตอร์
