الميكانيكا الكهربائية

يجمع علم الكهروميكانيكا ^[1]^[2]^[3]^[4] بين العمليات والإجراءات المستمدة من الهندسة الكهربائية والهندسة الميكانيكية . يركز علم الكهروميكانيكا على تفاعل الأنظمة الكهربائية والميكانيكية ككل وكيفية تفاعل النظامين مع بعضهما البعض. تبرز هذه العملية بشكل خاص في الأنظمة مثل تلك الخاصة بالآلات الكهربائية الدوارة ذات التيار المستمر أو التيار المتردد والتي يمكن تصميمها وتشغيلها لتوليد الطاقة من عملية ميكانيكية ( مولد ) أو استخدامها لتشغيل تأثير ميكانيكي ( محرك ). تشمل الهندسة الكهربائية في هذا السياق أيضًا هندسة الإلكترونيات .

الأجهزة الكهروميكانيكية هي الأجهزة التي تحتوي على عمليات كهربائية وميكانيكية. بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن المفتاح الذي يتم تشغيله يدويًا هو مكون كهروميكانيكي بسبب الحركة الميكانيكية التي تسبب خرجًا كهربائيًا. على الرغم من أن هذا صحيح، إلا أن المصطلح يُفهم عادةً على أنه يشير إلى الأجهزة التي تنطوي على إشارة كهربائية لإنشاء حركة ميكانيكية، أو العكس حركة ميكانيكية لإنشاء إشارة كهربائية. غالبًا ما تنطوي على مبادئ كهرومغناطيسية مثل المرحلات ، والتي تسمح للجهد أو التيار بالتحكم في جهد أو تيار دائرة معزولة أخرى عادةً عن طريق تبديل مجموعات من جهات الاتصال ميكانيكيًا، والملفات اللولبية ، والتي يمكن من خلالها للجهد تشغيل وصلة متحركة كما هو الحال في صمامات الملف اللولبي.

قبل تطوير الإلكترونيات الحديثة، كانت الأجهزة الكهروميكانيكية تستخدم على نطاق واسع في الأنظمة الفرعية المعقدة للأجزاء، بما في ذلك الآلات الكاتبة الكهربائية ، والطابعات عن بعد ، والساعات ، وأنظمة التلفاز الأولية ، وأجهزة الكمبيوتر الرقمية الكهروميكانيكية المبكرة جدًا . حلت الإلكترونيات ذات الحالة الصلبة محل الكهروميكانيكا في العديد من التطبيقات.

تاريخ

اخترع مايكل فاراداي أول محرك كهربائي في عام 1822. تم تطوير المحرك بعد عام واحد فقط من اكتشاف هانز كريستيان أورستد أن تدفق التيار الكهربائي يخلق مجالًا مغناطيسيًا متناسبًا. ^[5] كان هذا المحرك المبكر عبارة عن سلك مغمور جزئيًا في كوب من الزئبق مع مغناطيس في الأسفل. عندما تم توصيل السلك بالبطارية، تم إنشاء مجال مغناطيسي وهذا التفاعل مع المجال المغناطيسي المنبعث من المغناطيس تسبب في دوران السلك.

بعد عشر سنوات، تم اختراع أول مولد كهربائي، مرة أخرى بواسطة مايكل فاراداي. يتكون هذا المولد من مغناطيس يمر عبر ملف من الأسلاك ويحث تيارًا يتم قياسه بواسطة مقياس الجلفانومتر. تشكل أبحاث فاراداي وتجاربه في الكهرباء الأساس لمعظم المبادئ الكهروميكانيكية الحديثة المعروفة اليوم. ^[6]

زاد الاهتمام بالكهروميكانيكا مع البحث في الاتصالات طويلة المدى. أدى الارتفاع السريع في الإنتاج في الثورة الصناعية إلى زيادة الطلب على الاتصالات داخل القارات، مما سمح للكهروميكانيكا بشق طريقها إلى الخدمة العامة. نشأت المرحلات مع التلغراف حيث تم استخدام الأجهزة الكهروميكانيكية لتجديد إشارات التلغراف. تم استخدام مفتاح ستروجر ومفتاح اللوحة والأجهزة المماثلة على نطاق واسع في بدايات تبادل الهاتف الآلي . تم تركيب مفاتيح العارضة لأول مرة على نطاق واسع في منتصف القرن العشرين في السويد والولايات المتحدة وكندا وبريطانيا العظمى ، وانتشرت بسرعة إلى بقية العالم.

شهدت الأنظمة الكهروميكانيكية قفزة هائلة في التقدم من عام 1910 إلى عام 1945 حيث دخل العالم في حرب عالمية مرتين. شهدت الحرب العالمية الأولى اندفاعًا للميكانيكا الكهربائية الجديدة حيث استخدمت جميع البلدان الأضواء الكاشفة وأجهزة الراديو. ^[7] بحلول الحرب العالمية الثانية ، طورت البلدان وركزت جيوشها حول تنوع وقوة الميكانيكا الكهربائية. أحد الأمثلة على ذلك التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم هو المولد الكهربائي ، الذي تم إنشاؤه لتشغيل المعدات العسكرية في الخمسينيات من القرن الماضي وأعيد استخدامه لاحقًا للسيارات في الستينيات. استفادت أمريكا بعد الحرب بشكل كبير من تطوير الجيش للميكانيكا الكهربائية حيث تم استبدال العمل المنزلي بسرعة بأنظمة كهروميكانيكية مثل أفران الميكروويف والثلاجات والغسالات. كانت أنظمة التلفزيون الكهروميكانيكية في أواخر القرن التاسع عشر أقل نجاحًا.

تطورت الآلات الكاتبة الكهربائية حتى ثمانينيات القرن العشرين، باعتبارها "آلات كاتبة تعمل بالطاقة". وكانت تحتوي على مكون كهربائي واحد، وهو المحرك. فبينما كانت ضغطة المفتاح تحرك شريط الطباعة مباشرةً في السابق، أصبحت الآن تشغل روابط ميكانيكية توجه الطاقة الميكانيكية من المحرك إلى شريط الطباعة. وكان هذا صحيحًا أيضًا بالنسبة لآلة IBM Selectric اللاحقة . وفي عام 1946، تم تطوير كمبيوتر Bell Model V في مختبرات Bell . وكان جهازًا قائمًا على مرحل كهروميكانيكي؛ وكانت الدورات تستغرق ثوانٍ. وفي عام 1968، كانت الأنظمة الكهروميكانيكية لا تزال قيد الدراسة الجادة لجهاز كمبيوتر للتحكم في طيران الطائرات، حتى تم اعتماد جهاز يعتمد على إلكترونيات التكامل واسعة النطاق في كمبيوتر البيانات الجوية المركزي .

الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)

تعود جذور الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) إلى ثورة السيليكون ، والتي يمكن إرجاعها إلى اختراعين مهمين لأشباه الموصلات السيليكونية من عام 1959: شريحة الدائرة المتكاملة المتجانسة (IC) بواسطة روبرت نويس في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ، وترانزستور تأثير المجال المعدني أكسيد أشباه الموصلات (MOSFET) الذي تم اختراعه في مختبرات بيل بين عامي 1955 و1960، بعد أن اكتشف فروش وديريك واستخدما التخميد السطحي بواسطة ثاني أكسيد السيليكون لإنشاء أول ترانزستورات مستوية، وهي الأولى التي كان فيها الصرف والمصدر متجاورين على نفس السطح. ^[8]^[9]^[10]^[11]^{[12] أدى}توسيع نطاق MOSFET ، وهو تصغير حجم ترانزستورات MOSFET على شرائح IC، إلى تصغير حجم الإلكترونيات (كما تنبأ قانون مور وتوسيع نطاق دينارد ). أرسى هذا الأساس لتصغير الأنظمة الميكانيكية، مع تطوير تقنية التصنيع الدقيق القائمة على أجهزة أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون ، حيث بدأ المهندسون يدركون أن رقائق السيليكون وترانزستورات MOSFET يمكنها التفاعل والتواصل مع المناطق المحيطة ومعالجة أشياء مثل المواد الكيميائية والحركات والضوء . تم تصنيع أحد أول مستشعرات الضغط المصنوعة من السيليكون بشكل دقيق بواسطة شركة Honeywell في عام 1962. ^[13]

من الأمثلة المبكرة على جهاز MEMS هو الترانزستور ذو البوابة الرنانة، وهو تكيف لـ MOSFET، طوره هارفي سي ناثانسون في عام 1965. ^{[14] خلال السبعينيات إلى أوائل الثمانينيات}، تم تطوير عدد من أجهزة استشعار MOSFET الدقيقة لقياس المعلمات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والبيئية . ^[15] في أوائل القرن الحادي والعشرين، كان هناك بحث حول الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية ( NEMS).

الممارسة الحديثة

اليوم، تستخدم شركات الطاقة العمليات الكهروميكانيكية بشكل أساسي. تقوم جميع المولدات التي تعمل بالوقود بتحويل الحركة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. يتم تشغيل بعض الطاقات المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية بواسطة أنظمة ميكانيكية تقوم أيضًا بتحويل الحركة إلى كهرباء.

في الثلاثين عامًا الأخيرة من القرن العشرين، أصبحت المعدات التي كانت تستخدم عمومًا أجهزة كهروميكانيكية أقل تكلفة. أصبحت هذه المعدات أرخص لأنها استخدمت دوائر متحكم دقيقة متكاملة بشكل أكثر موثوقية تحتوي في النهاية على بضعة ملايين من الترانزستورات، وبرنامجًا لتنفيذ نفس المهمة من خلال المنطق. مع المكونات الكهروميكانيكية لم يكن هناك سوى أجزاء متحركة، مثل المحركات الكهربائية الميكانيكية . لقد حل هذا المنطق الأكثر موثوقية محل معظم الأجهزة الكهروميكانيكية، لأن أي نقطة في النظام يجب أن تعتمد على الحركة الميكانيكية للتشغيل السليم ستتعرض حتماً للتآكل الميكانيكي وتفشل في النهاية. ستستمر الدوائر الإلكترونية المصممة بشكل صحيح بدون أجزاء متحركة في العمل بشكل صحيح إلى ما لا نهاية تقريبًا وتُستخدم في معظم أنظمة التحكم بالتغذية الراجعة البسيطة. تظهر الدوائر بدون أجزاء متحركة في عدد كبير من العناصر من إشارات المرور إلى الغسالات .

هناك جهاز كهروميكانيكي آخر وهو الأجهزة الكهروضغطية ، ولكنها لا تستخدم المبادئ الكهرومغناطيسية. يمكن للأجهزة الكهروضغطية إنشاء صوت أو اهتزاز من إشارة كهربائية أو إنشاء إشارة كهربائية من الصوت أو الاهتزاز الميكانيكي.

لكي تصبح مهندسًا كهروميكانيكيًا، تتضمن الدورات الجامعية النموذجية الرياضيات والهندسة وعلوم الكمبيوتر وتصميم الآلات وفصول السيارات الأخرى التي تساعد في اكتساب المهارة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها وتحليل المشكلات المتعلقة بالآلات. لكي تكون مهندسًا كهروميكانيكيًا، يلزم الحصول على درجة البكالوريوس، عادةً في الهندسة الكهربائية أو الميكانيكية أو الكهروميكانيكية. اعتبارًا من أبريل 2018، تقدم جامعتان فقط، جامعة ميشيغان للتكنولوجيا ومعهد وينتوورث للتكنولوجيا ، تخصص الهندسة الكهروميكانيكية ^{[ بحاجة لمصدر ]} . للدخول إلى مجال الكهروميكانيكا كفني مبتدئ، فإن الدرجة الترابطية هي كل ما هو مطلوب.

اعتبارًا من عام 2016، يعمل حوالي 13800 شخص كفنيين كهروميكانيكيين في الولايات المتحدة. ومن المتوقع أن ينمو التوظيف للفنيين في الفترة من 2016 إلى 2026 بنسبة 4%، وهو ما يعادل تغييرًا في التوظيف بنحو 500 وظيفة. وهذه التوقعات أبطأ من المتوسط. ^[16]

انظر أيضا

مراجع

الاستشهادات

^ دورة في الميكانيكا الكهربائية، لطلاب الهندسة الكهربائية، الفصل الدراسي الأول من السنة الثالثة، جامعة كولومبيا، مقتبسة من كتاب "الكهرباء والمغناطيسية" للبروفيسور ف. إ. نيفر، تأليف فيتزيو تاونسند، 1901.
^ Szolc, T.; Konowrocki, Robert; Michajłow, M.; Pregowska, A. (2014). "دراسة التأثيرات الديناميكية للاقتران الكهروميكانيكي في أنظمة محرك الآلة التي تعمل بمحركات غير متزامنة". الأنظمة الميكانيكية ومعالجة الإشارات . 49 (1-2). الأنظمة الميكانيكية ومعالجة الإشارات، المجلد.49، ص.118-134: 118-134. رمز Bibcode :2014MSSP...49..118S. doi :10.1016/j.ymssp.2014.04.004.
^ عناصر الكهرباء، "الجزء الخامس. الميكانيكا الكهربائية ^{[ وصلة ميتة دائمة ]} ." بقلم ويرت روبنسون. جون وايلي وأولاده، شركة مساهمة، 1922.
^ كونوروكي، روبرت؛ سزولك، ت؛ بوتشانكي، أ؛ بريجوفسكا، أ. (2016). "تأثير نماذج التحكم والاحتكاك في المحرك المتدرج على تحديد المواقع الدقيقة للنظام الميكانيكي المعقد". الأنظمة الميكانيكية ومعالجة الإشارات . 70-71. الأنظمة الميكانيكية ومعالجة الإشارات، المجلد 70-71، ص 397-413: 397-413. رمز Bibcode :2016MSSP...70..397K. doi :10.1016/j.ymssp.2015.09.030. ISSN 0888-3270.
^ "جهاز الدوران الكهربائي المغناطيسي لمايكل فاراداي (المحرك)" . تم الاسترجاع في 2018-04-14 .
^ "مولد مايكل فاراداي" . تم الاسترجاع في 2018-04-14 .
^ "الحرب العالمية الأولى: التكنولوجيا وأسلحة الحرب | NCpedia". www.ncpedia.org . تم الاسترجاع في 2018-04-22 .
^ US2802760A، لينكولن، ديريك وفروش، كارل جيه، "أكسدة الأسطح شبه الموصلة للانتشار المتحكم فيه"، صدر في 1957-08-13
^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "حماية السطح والإخفاء الانتقائي أثناء الانتشار في السيليكون". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
^ Lojek, Bo (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . برلين، هايدلبرغ: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ص. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
^ ليجينزا، جيه آر؛ سبيتزر، دبليو جي (1960). "آليات أكسدة السيليكون في البخار والأكسجين". مجلة فيزياء وكيمياء المواد الصلبة . 14 : 131-136. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
^ لوجيك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص. 120. ISBN 9783540342588.
^ Rai-Choudhury, P. (2000). MEMS and MOEMS Technology and Applications. SPIE Press . ص. ix، 3. ISBN 9780819437167.
^ Nathanson HC, Wickstrom RA (1965). "ترانزستور سطح السيليكون ذو البوابة الرنانة مع خصائص تمرير النطاق عالية الجودة". Appl. Phys. Lett. 7 (4): 84–86. Bibcode :1965ApPhL...7...84N. doi :10.1063/1.1754323.
^ بيرجفيلد، بيت (أكتوبر 1985). "تأثير أجهزة الاستشعار القائمة على MOSFET" (PDF) . أجهزة الاستشعار والمشغلات . 8 (2): 109-127. رمز Bibcode :1985SeAc....8..109B. doi :10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN 0250-6874. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2021-04-26 . تم الاسترجاع في 2019-10-19 .
^ مكتب إحصاءات العمل، وزارة العمل الأمريكية، دليل التوقعات المهنية، الفنيون الكهروميكانيكيون، على الإنترنت على http://www.bls.gov/ooh/architecture-and-engineering/electro-mechanical-technicians.htm (تمت الزيارة في 13 أبريل 2018).

مصادر

دافيم، ج. باولو، محرر (2011) الميكاترونيات ، جون وايلي وأولاده ISBN 978-1-84821-308-1 .
فورلاني، إدوارد ب. (15 أغسطس 2001). المغناطيس الدائم والأجهزة الكهروميكانيكية: المواد والتحليل والتطبيقات . سلسلة الصحافة الأكاديمية في الكهرومغناطيسية. سان دييغو: الصحافة الأكاديمية . رقم ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC 47726317.
كراوس، بول سي؛ وواسينشوك، أوليج (1989). أجهزة الحركة الكهروميكانيكية . سلسلة ماكجرو هيل في الهندسة الكهربائية والحاسوبية. نيويورك: ماكجرو هيل . رقم ISBN 978-0-07-035494-4. OCLC 18224514.
Szolc T.، Konowrocki R.، Michajlow M.، Pregowska A.، دراسة حول تأثيرات الاقتران الكهروميكانيكي الديناميكي في أنظمة محرك الآلة التي تعمل بمحركات غير متزامنة وأنظمة ميكانيكية ومعالجة الإشارات، ISSN 0888-3270، المجلد 49، ص 118-134، 2014
"الحرب العالمية الأولى: التكنولوجيا وأسلحة الحرب | NCpedia". www.ncpedia.org . تم الاسترجاع في 2018-04-22.

قراءة إضافية

دورة أولى في الكهروميكانيكا. بقلم هيو هيلدريث سكيلينج. وايلي، 1960.
الميكانيكا الكهربائية: دورة أولى في تحويل الطاقة الكهروميكانيكية، المجلد الأول. تأليف هيو هيلدريث سكيلينج. دار نشر ري كريجر، 1 يناير 1979.
الميكانيكا الكهربائية والآلات الكهربائية. تأليف: جيه إف ليندسي، إم إتش رشيد. برنتيس هول، 1986.
أجهزة الحركة الكهروميكانيكية. تأليف هي دونج تشاي. برنتيس هول، PTR، 1998.
الميكاترونيات: الميكانيكا الكهربائية والميكانيكا المضادة. تأليف ديني ك. ميو. سبرينغر لندن، المحدودة، 2011.