انجام پایان نامه کارشناسی ارشد کامپیوتر نرم افزار دکتری هوش مصنوعی مهندسی کامپیوتر

انجام پایان نامه کارشناسی ارشد کامپیوتر در سال 1389، موسسه پژوهشی الزویر تأسیس شد و دپارتمان های کامپیوتر و برق شکل گرفت. در سال 1391 با پیشنهاد اعضای هیأت علمی دانشگاه علامه طباطبایی و تهران دپارتمان های مدیریت و حقوق شکل گرفت. در سال 1392 دپارتمان های عمران، معماری، مکانیک و صنایع، مواد و هوافضا تشکیل و تحت مجموعه دپارتمان های فنی مهندسی قرار گرفت. در سال 1393 دپارتمان های روانشناسی، زبان و ادبیات انگلیسی، زبان و ادبیات فارسی، فلسفه، هنر و گرافیک نیز تشکیل و تحت مجموعه دپارتمان های علوم انسانی قرار گرفت. موسسه پژوهشی الزویر با 11 سال سابقه موفق در زمینه آموزش انجام پایان نامه، مقاله و پروژه های دانشجویی در خدمت دانشجویان عزیز داخل و خارج از کشور برای پایان نامه، پروپوزال، سمینار، تحقیق و پروژه های دانشجویی و همچنین تهیه مقالات کلاسی، مروری، علمی پژوهشی، ISC و ISI در همه مقاطع تحصیلی کاردانی، کارشناسی، کارشناسی ارشد و دکترا می باشد. با توجه به تأکید موسسه بر کیفیت بالا و قابل دفاع پایان نامه ها و امکان استخراج مقالات isi با ایمپکت قابل قبول از پایان نامه ها و نظارت مداوم بر کیفیت انجام کارها در موسسه پژوهشی الزویر، موسسه حساسیت زیادی بر کیفیت انجام پایان نامه ها، مقالات و پروژه های دانشجویی دارد و از همان مرحله تعیین موضوع تا دفاع نهایی توسط دانشجو کیفیت انجام کار رصد می شود.

انجام پایان نامه کارشناسی ارشد کامپیوتر نرم افزار پروژه شبکه های دانشجویی دکتری هوش مصنوعی رشته مهندسی کامپیوتر کامپیوتری کامسول پایتون

الکتریسیته یا برق یا نیروی الکتریکی Electricity مجموعه‌ای از پدیده‌های طبیعی است که به حضور و جریان بار الکتریکی وابسته است. طبق توصیف معادلات ماکسول الکتریسیته با مغناطیس در ارتباط است و هر دو بخشی از پدیده الکترومغناطیس هستند. الکتریسیته آثار متنوع زیادی چون آذرخش، الکتریسیته ساکن، گرمایش الکتریکی و تخلیه بار الکتریکی و … دارد. وجود بار الکتریکی، که می‌تواند مثبت یا منفی باشد، میدان الکتریکی تولید می‌کند. حرکت بار الکتریکی که جریان الکتریکی نام دارد میدانی مغناطیسی تولید می‌کند.

زمانی که بار در مکانی با میدان مغناطیسی غیر صفر قرار می‌گیرد، نیرویی بر آن اثر خواهد گذاشت. اندازه این نیرو با قانون کولن اندازه‌گیری می‌شود. اگر بار به حرکت در بیاید میدان مغناطیسی بر روی بار کار انجام می‌دهد. در این حالت می‌توان گفت پتانسیل الکتریکی در نقطه‌ای مشخص در فضا وجود دارد که با کاری که توسط عامل خارجی انجام داده شده تا یک واحد بار را از نقطه اول به نقطه ثانویه حمل کند برابر است و با ولت اندازه‌گیری می‌شود.

برق قلب فناوری‌های مدرن است و به این منظورها استفاده می‌شود:

توان الکتریکی: استفاده از جریان الکتریکی برای تأمین انرژی وسایل برقی را گویند.

الکترونیک: در حالی که با مدارهای الکتریکی در ارتباط است، شامل اجزای فعال الکتریکی از جمله لامپ‌های خلأ، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می‌باشد.

پدیده‌های الکتریکی از گذشته دور مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما پیشرفت در درک نظری تا قرن‌های هفدهم و هجدهم به آرامی اتفاق افتاد. حتی آن زمان نیز کاربرد الکتریسیته اندک بود، و این موضوع تا اواخر قرن نوزدهم و زمانی که مهندسان قادر به استفاده از برق در مناطق صنعتی و مسکونی شوند، ادامه یافت. پیشرفت سریع در تکنولوژی الکتریکی صنعت و جامعه را دگرگون ساخت. کاربرد گسترده الکتریسیته سبب شد که از آن در موارد کاربردی بدون محدودیت شامل حمل و نقل، گرمایش، روشنایی، مخابرات و محاسبات استفاده شود. اکنون الکتریسیته پایه‌های جامعه صنعتی مدرن را تشکیل می‌دهد.

خیلی پیشتر از هر اطلاعی از الکتریسیته، مردم از شوک‌های ماهی‌های الکتریکی آگاهی داشتند. در نوشته‌های مصریان باستان که از سده ۲۸ (پیش از میلاد) باقی مانده‌اند، نام این‌گونه‌ها را تندرگرهای نیل گذاشتند، و آن‌ها را محافظ سایر ماهی‌ها می‌دانستند. هزاران سال قبل، ماهی‌های الکتریکی به وسیله یونان باستان، امپراطوری روم و طبیعت‌شناسان مسلمان گزارش شده است.[۳] چند نویسنده باستانی، مانند پلنیوس و اسکریبونیوس لارگوس به وجود تأثیرات بی‌حس‌کنندهٴ شوک‌های الکتریکی ناشی از گربه‌ماهی‌های الکتریکی و سپرماهی‌سانان پی بردند و دریافتند که این شوک‌ها، به‌وسیلهٴ اشیای هادی انتقال می‌یابد.[۴] به بیماران مبتلا به بیماری‌هایی چون نقرس یا سردرد، توصیه می‌شد که ماهی الکتریکی را لمس کنند تا شاید نیروی قدرتمندش آن‌ها را درمان کند. اولین و نزدیکترین روش کشف برای شناسایی آذرخش و الکتریسیته، به اعراب نسبت داده می‌شود، که قبل از قرن ۱۵ام، واژه عربی «رعد» را به پرتوماهی برقی اطلاق کردند.

مردم در تمدن‌های کنار مدیترانه دریافته بودند که اجسامی چون کهربا، با مالش به موهای گربه می‌توانند اجسام سبک چون پر را جذب کنند. دانشمند و فیلسوف یونانی، تالس حدود ۶۰۰ سال پیش از میلاد، پس از مطالعاتی که بر روی الکتریسیته ساکن انجام داد، چنین برداشت کرد که مالش، کهربا را تبدیل به ماده مغناطیسی می‌کند و برخلاف آن، معادنی چون مگنتیت نیازی به مالش ندارند. طبق نظریه‌ای مورد مناقشه، به دلیل اکتشاف باتری بغدادی، کشف الکتریسیته را به ایران و بین‌النهرین باستان در دوره اشکانیان نسبت می‌دهند. اما با وجود شباهت این قطعه باستانی با پیل گالوانی، دانشمندان در این مورد که واقعاً آن خاصیت الکتریکی داشته یا خیر تردید دارند.

بنجامین فرانکلین در قرن ۱۸ام، تحقیقات وسیعی بر روی الکتریسیته انجام داد که این تحقیقات توسط جوزف پریستلی با عنوان تاریخچه و شرایط فعلی الکتریسیته تنظیم شد. فرانکلین با این فرد مکاتبات گسترده‌ای انجام داد.

الکتریسیته تا سال ۱۶۰۰ به مدت چند هزار سال تنها به‌عنوان یک کنجکاوی ذهنی قلمداد می‌شد، تا این‌که ویلیام گیلبرت، دانشمند انگلیسی، مطالعات دقیقی پیرامون الکتریسیته و مغناطیس انجام داد. او تأثیر سنگ آهنربا را به وسیله مالش کهربا شناسایی کرد. او واژه electricus را به خاصیت جذب اجسام کوچک، پس از مالش، نسبت داد. پس از این رویداد، واژه الکتریسیته و الکتریکی برای اولین در کتاب سیودودکسیا اپیدمیکا، نوشته توماس براون چاپ شد.

بعدها افرادی چون اتو فن گریکه، رابرت بویل، استفن گری و چارلز فرانکویس این مسیر را ادامه دادند. در قرن ۱۸ام، بنجامین فرانکلین تحقیقات گسترده‌ای پیرامون الکتریسیته انجام داد. او با فروش دارایی‌های خود، هزینه کارش را فراهم کرد. مشهور است که او در سال ۱۷۵۲ یک کلید فلزی را به انتهای یک بادبادک مرطوب وصل کرد و آن را در آسمان طوفانی به هوا فرستاد. جرقه‌های متوالی که از کلید به پشت دستش می‌پریدند، نشان دادند که آذرخش قطعاً پدیده‌ای الکتریکی در طبیعت است. او همچنین رفتار ظاهراً متناقض بطری لیدن را به‌عنوان وسیله‌ای برای ذخیرهٴ مقادیر زیاد بار الکتریکی توصیف کرد.

مایکل فارادی اساس تکنولوژی موتور الکتریکی را شکل داد.

در سال ۱۷۹۱، لوییجی گالوانی اکتشاف خود در زمینه بیوالکتریک را منتشر کرد. او نشان داد که الکتریسیته واسطه‌ایست که به‌وسیلهٴ آن، سیگنال‌ها از یاخته‌های عصبی به ماهیچه‌ها انتقال می‌یابند. در قرن ۱۸ام، باتری الساندرو ولتا، یا پیل ولتایی، که از روی هم قرار گرفتن لایه‌های متناوب روی و مس ساخته شده بود، برای دانشمندان منبع انرژی قابل اعتمادتری نسبت به ژنراتورهای الکترواستاتیکی قدیمی فراهم کرد. کشف الکترومغناطیس، یا همان وحدت پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی، بین سال‌های ۱۸۱۹–۱۸۲۰ به‌وسیلهٴ هانس کریستین اورستد و آندره ماری آمپر اتفاق افتاد. در سال۱۸۲۱، مایکل فارادی موتور الکتریکی را اختراع کرد و در سال ۱۸۲۷ گئورگ زیمون اهم از نظر ریاضی مدار الکتریکی را مورد بررسی قرار داد. در سال‌های ۱۸۶۱ و ٬۱۸۶۲جیمز کلرک ماکسول در کتاب درباره خطوط فیزیکی نیرو، الکتریسیته و مغناطیس را به‌طور قطعی به هم مرتبط ساخت.

درحالی که در اوایل قرن ۱۹ام، پیشرفت‌های سریعی در برق اتفاق افتاد، اواخر قرن ۱۹ام، شاهد بزرگترین پیشرفت در مهندسی برق بود. با تلاش افرادی چون الکساندر گراهام بل، اتو بلاثی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هویساید، انیوس جدلیک، چارلز آلگرنون پارسونز، ویلیام تامسون، ارنست فون زیمنس، جوزف سوان، نیکولا تسلا و جرج وستینگهاوس، الکتریسیته از حس کنجکاوی علمی به ابزاری مهم در زندگی مدرن و نیروی محرکی برای انقلاب صنعتی دوم تبدیل شد.

در سال ٬۱۸۸۷ هاینریش هرتز 843–44 الکترودهایی را کشف کرد که وسیلهٴ پرتوی فرابنفش روشن می‌شدند و جرقه‌های الکتریکی را به سادگی ایجاد می‌کردند. در سال ٬۱۹۰۵ آلبرت اینشتین مقاله‌ای منتشر کرد که در آن با توصیف داده‌های آزمایشگاهی، اثر فوتوالکتریک را به‌عنوان نتیجهٴ انرژی نور نشان داد و ثابت کرد که این انرژی به‌وسیلهٴ بسته‌های کوانتمی، حمل می‌شود و به الکترون‌ها انرژی می‌دهد. این اکتشاف منجر به انقلاب کوانتمی شد. اینشتین در سال ٬۱۹۲۱ به‌خاطر کشف اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل فیزیک گرفت. امروزه، از اثر فوتوالکتریک در حسگرهای نور و صفحه‌های خورشیدی استفاده می‌شود که اخیراً برای تولید الکتریسیته در سطح تجاری به کار می‌روند.

اولین وسیله حالت جامد، ردیاب سبیل گربه‌ای بود که برای اولین‌بار در دههٴ ۱۹۳۰ در گیرنده‌های رادیویی به کار رفت. یک سیم سبیل گربه‌ای به یک بلور جامد (مانند بلور ژرمانیوم) متصل است تا با استفاده از تأثیر نقطه تماس، یک سیگنال رادیویی را شناسایی کند. در جز حالت جامد، جریان الکتریکی به عناصر و ترکیبات جامد وابسته است که به‌منظور پر کردن کاستی الکترون‌هاست که حفره الکترونی نامیده می‌شود. مفهوم حفره‌های خالی و پر با توجه به فیزیک کوانتومی قابل درک است. ماده سازنده نیز اغلب یک نیم‌رسانای بلوریست.

الکترونیک حالت جامد با ظهور ترانزیستور، ارتقا یافت. نخستین ترانزیستوری که با موفقیت آزمایش شد، ترانزیستور تماس نقطه‌ای بود که توسط جان باردین و والتر هاوسر براتین در سال ۱۹۴۷ اختراع شد،[۲۸] وسایل حالت جامد رایج عبارتند از: ترانزیستورها، تراشه‌های ریزپردازنده و حافظه دسترسی تصادفی. نوع ویژه‌ای از حافظه‌ها که حافظه فلش نام دارد، در یواس‌بی فلش درایوها به کار می‌رود و به تازگی، درایوهای حالت جامد جایگزین سیستم چرخش مکانیکی دیسک مغناطیسی در دیسک سخت شده‌است. وسایل حالت جامد در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ محبوبیت فراوانی کسب کردند، که مصادف با تغییر از تکنولوژی لامپ خلاء به دیودهای نیم‌رسانا، ترانزیستورها، مدار مجتمع و ال‌ئی‌دی بود.

مفاهیم

بار الکتریکی

وجود بار الکتریکی سبب افزایش نیروی الکترواستاتیکی می‌شود: این بارها به یکدیگر نیرو اعمال می‌کنند؛ نیرویی که در گذشته شناخته شده ولی علتش نامعلوم بود. یک گوی سبک که از یک نخ آویزان است، هنگام تماس با میله شیشه‌ای باردار که تحت مالش با پارچه قرار گرفته، می‌تواند باردار شود. اگر گوی دیگری نیز با همان میله شیشه‌ای باردار شود، گوی قبلی را دفع می‌کند: بار تلاش می‌کند تا دو گوی را از هم دور کند. دو گوی باردار شده به وسیله میله پلاستیکی نیز یکدیگر را دفع می‌کنند. اما، اگر یک گوی به وسیله میله شیشه‌ای و گوی دیگر به وسیله یک میله پلاستیکی باردار شود، این دو گوی یکدیگر را جذب می‌کنند. شارل آگوستن دو کولن این پدیده را در قرن هیجدهم کشف کرد. او استنباط کرد که بار الکتریکی، خود را به دو شکل نمایان می‌کند. این کشف به قانون مشهوری منجر شد: اجسام با بار همنام یکدیگر را دفع و اجسام با بار غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند.

این نیرو ذرات باردار را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابرین بار تمایل دارد تا حد امکان به‌طور مساوی در یک سطح هادی پخش شود. اندازهٴ نیروی الکترومغناطیسی، چه جاذبه باشد و چه دافعه، با استفاده از قانون کولن به‌دست می‌آید. مطابق این قانون، نیرو با حاصلضرب بار دو ذره در مجذور معکوس فاصلهٴ بین آن دو متناسب است. نیروی الکترومغناطیس بسیار نیرومند است و در واقع بعد از نیروی هسته‌ای قوی، نیرومندترین نیرو به‌شمار می‌آید. اما بر خلاف آن، این نیرو در تمام فواصل اعمال می‌شود. در مقایسه با نیروی گرانش، نیروی الکترومغناطیسی که دو الکترون را دفع می‌کند، ۱۰۴۲ بار قویتر از نیروی جاذبه گرانشی بین آن دو است.

مطالعات نشان می‌دهد که منشأ بار، انواع مخصوصی از ذرات زیراتمی هستند که ویژگی بار الکتریکی دارند. بار الکتریکی سبب تقویت نیروی الکترومغناطیسی می‌شود، که یکی از چهار نیروی بنیادی به حساب می‌آید. آشناترین حاملان بار الکتریکی، الکترون‌ها و پروتون‌ها هستند. تحقیقات حاکی از بقای بار الکتریکی است و این بدان معناست که در یک سیستم ایزوله، بدون توجه به هر تغییری که در سیستم روی دهد، مقدار بار کلی آن ثابت می‌ماند. در یک سیستم، ممکن است بار به‌صورت تماس مستقیم یا با عبور از یک مادهٴ رسانا —مانند سیم— از جسمی به جسم دیگر منتقل شود.[۳۰]: 2–5 به وجود بار روی یک جسم، الکتریسیتهٴ ساکن گفته می‌شود که اغلب هنگام مالش دو مادهٴ غیر همسان ایجاد می‌شود و بار از یکی به دیگری انتقال می‌یابد.

بار الکترون و پروتون مخالف همند. بنابرین، مقدار بار ممکن است مثبت یا منفی باشد. طبق قرارداد، باری که به وسیله الکترون‌ها حمل می‌شود منفی و باری که به وسیله پروتون‌ها حمل می‌شود مثبت است. این موضوع از تلاش‌های بنجامین فرانکلین سرچشمه گرفته‌است. اندازه بار را با علامت Q نشان می‌دهند که واحدش کولن است. هر الکترون حدوداً بار −۱٫۶۰۲۲×۱۰−۱۹ کولن را حمل می‌کند. بار پروتون نیز معادل الکترون، ولی با علامت مثبت است؛ یعنی ۱٫۶۰۲۲×۱۰−۱۹ کولن. بار تنها به وسیله ماده جذب نمی‌شود؛ بلکه در پادماده نیز، هر پادذره باری هم اندازه و مخالف ذره مربوطه‌اش تحمل می‌کنند. بار را می‌توان به وسیله ابزار گوناگونی سنجید. یک ابزار قدیمی برای سنجش بار الکتروسکوپ نام دارد، اگرچه هنوز در کلاس‌های درسی به کار می‌رود، برق سنج الکترونیکی جایگزین آن شده‌است.

جریان الکتریکی

حرکت بارهای الکتریکی را جریان الکتریکی گویند که شدت آن با واحد آمپر سنجیده می‌شود. جریان می‌تواند شامل حرکت هر ذره بارداری باشد؛ که اکثراً الکترون‌ها هستند. ولی هر بار در حال حرکتی، یک جریان به حساب می‌آید. جریان الکتریکی می‌تواند در هادی‌های الکتریکی به حرکت درآید، اما ممکن است نتواند در عایق‌های الکتریکی به جریان افتد. مطابق قرارداد تاریخی، جریان مثبت مسیری را که هر بار مثبت شامل شده‌ای طی کند، می‌پیماید یا از مثبت‌ترین بخش یک مدار به منفی‌ترین بخشش انتقال می‌یابد. جریانی که از این الگو پیروی کند، جریان قراردادی نام دارد. بنابرین، حرکت الکترون‌های دارای بار مخالف در یک مدار الکتریکی، یکی از آشناترین اشکال جریان، در خلاف جهت حرکت الکترون‌ها، مثبت فرض می‌شود. اما، بر اساس شرایط، یک جریان الکتریکی می‌تواند شامل یک جریان از ذرات باردار، هم در یک مسیر و هم در هر دو مسیر باشد. قرارداد مثبت به منفی برای ساده‌سازی این شرایط وضع شده‌است.

یک قوس الکتریکی یک دمونستراسیون الکتریکی از جریان الکتریکی فراهم می‌آورد.

به فرایندی که در آن جریان الکتریکی از مواد عبور می‌کند، «رسانایی الکتریکی» گفته می‌شود و ذاتاً با ذرات باردار و ماده‌ای که به وسیله آن جابجا می‌شوند، متفاوت است. رسانایی فلزی، که الکترون‌ها در مادهٴ رسانایی مانند فلزات جریان می‌یابند و برق‌کافت، که در آن یون‌ها (اتمهای باردار) در مایعات یا پلاسماهایی مانند جرقه‌های الکتریکی جریان می‌یابند، مثال‌هایی از رسانایی هستند. در حالی که ذرات به خودی خود کُندند، و گاهی اوقات با سرعت رانش میانگین یک میلی‌متر در ثانیه پیش می‌روند، میدان الکتریکی که آن‌ها را پیش می‌برد، سرعت آن‌ها را به نزدیکی سرعت نور می‌رساند و سیگنال‌های الکتریکی را قادر می‌سازد که با سرعت سیم‌ها را بپیمایند.

برای شناسایی و اثبات وجود جریان، به‌طور تاریخی،به چند تأثیر قابل مشاهدهٴ آن اتکا شده‌است. جریان می‌تواند آب را تجزیه کند و این موضوع در سال ۱۸۰۰ به وسیله ویلیام نیکولسون و آنتونی کارلیسله کشف شد که امروزه با نام برق‌کافت شناخته می‌شود. در سال ۱۸۳۳، مایکل فارادی راه آنان را به خوبی ادامه داد. جریان در یک مقاومت الکتریکی سبب تجمع گرما در مقاومت می‌شود. در سال ۱۸۴۰، این اثر را جیمز ژول از نظر ریاضی مورد مطالعه قرار داد. یکی از مهم‌ترین اکتشافات مرتبط با جریان، به‌طور اتفاقی در سال ۱۸۲۰ به وسیله هانس کریستین اورستد صورت گرفت؛ او هنگام آماده‌کردن سخنرانی خود، مشاهده کرد که جریان در یک سیم، سوزنِ قطب‌نما را به حرکت درمی‌آورد. او الکترومغناطیس را که یک تعامل اساسی بین الکتریسیته و مغناطیس است— کشف کرد. میزان انتشار الکترومغناطیسِ تولیدشده به‌وسیلهٴ قوس الکتریکی، برای ایجاد تداخل الکترومغناطیسی کافیست که می‌تواند برای باعث صدمه دیدن وسایل مجاور شود.

در وسایل مهندسی یا خانگی، جریان به دو دسته مستقیم و متناوب تقسیم می‌شود. این واژه‌ها به تغییرات جریان در بازهٴ زمانی اشاره دارد. جریان مستقیم، برای مثال از یک باتری گرفته می‌شود و بیشتر لوازم الکترونیکی بدان نیاز دارند. این جریان یک سویه است و همواره از قسمت مثبت مدار به قسمت منفی جریان می‌یابد. اگر این جریان به وسیلهٴ الکترون‌ها حمل شود، جهت جریان در خلاف جهتِ گفته‌شده خواهد بود. جریان متناوب جریانیست که جهتش به‌طور مکرر تغییر می‌کند. این تغییر، اغلب به‌شکل یک موج سینوسی است. بنابراین، جریان متناوب دارای پالس عقب و جلو است و در یک رسانا بدون حرکت بارها جریان تولید می‌کند. ارزش میانگین زمانی یک جریان متناوب، صفر است. اما این جریان انرژی را در یک مسیر می‌رساند و سپس تغییر جهت می‌دهد. جریان متناوب تحت تأثیر ویژگی‌های الکتریکی در شرایط پایدار جریان مستقیم، مانند القاوری و ظرفیت خازنی قرار می‌گیرد. این ویژگی‌ها زمانی مهم می‌شوند که شدت جریان گذرا باشد.

میدان الکتریکی

مفهوم میدان الکتریکی توسط مایکل فارادی مطرح شد. میدان الکتریکی در اطراف جسم باردار شکل می‌گیرد و به تمام ذرات باردار درون میدان نیرو وارد می‌کند. میدان الکتریکی بین دو بار، مشابه میدان جاذبه بین دو جرم عمل می‌کند و مانند آن در فضای بی‌نهایت گسترش می‌باید و یک رابطه مجذور معکوس با فاصله نشان می‌دهد. اما یک فرق اساسی با آن دارد: میدان جاذبه همیشه در نقش جذب‌کننده عمل می‌کند و می‌کوشد تا دو جسم را به یکدیگر برساند، در حالی که میدان الکتریکی می‌تواند هم سبب جذب شود و هم دفع. از آن جا که اجسام بزرگ، مانند سیاره‌ها، دارای بار خالص نیستند، اغلب میدان الکتریکی در اطراف آن‌ها صفر است. لذا نیروی جاذبه با وجود این که بسیار ضعیف‌تر است، در گیتی نیروی غالب به‌شمار می‌آید.

خطوط میدان از یک بار مثبت در بالای صفحه رسانا ناشی می‌شوند.

میدان الکتریکی به‌طور عمومی در فضا متغیر است و شدت آن در هر نقطه با نیرویی مشخص می‌شود که یک بار الکتریکی غیرمتحرک احساس می‌کند. بار فرضی، که ذره آزمون نام دارد، بسیار کوچک است تا میدان الکتریکی آن با میدان الکتریکی اصلی تداخل نداشته باشد و همچنین ثابت است تا از تأثیر میدان‌های مغناطیسی جلوگیری کند. از آن جا که میدان الکتریکی با واحد نیرو شناسایی می‌شود و نیرو نیز یک بردار اقلیدسی است، در نتیجه، یک میدان مغناطیسی یک بردار است که هم شدت دارد و هم مسیر و در واقع، یک میدان برداری است.

مطالعهٴ میدان الکتریکی حاصل از بارهای ثابت، الکتریسیتهٴ ساکن نام دارد. میدان به‌وسیلهٴ مجموعه‌ای از خطوط فرضی نمایش داده می‌شود که در هر نقطه از میدان مسیر آن را نمایش می‌دهند. این مفهوم، به‌وسیلهٴ فارادی مطرح شد که واژه خط نیرویی که او بیان کرده بود، هنوز نیز کاربرد دارد. خطوط میدان، مسیرهایی هستند که یک بار مثبت نقطه‌ای هنگامی که بدان نیرو وارد می‌شود، آن مسیرها را طی می‌کند. به هر حال، آن‌ها یک مفهوم ذهنی هستند و واقعیت فیزیکی ندارند و میدان به فضای بین خطوط نفوذ دارد. خطوط میدان ناشی از بارهای ساکن، چند ویژگی کلیدی دارند: اولاً، آن‌ها از بارهای مثبت سرچشمه می‌گیرند و به بارهای منفی ختم می‌شوند. ثانیاً، باید با زاویه‌ای قایم وارد اجسام رسانا شوند و ثالثاً، هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند. یک جسم رسانای توخالی تمام بارش را در سطح خارجی خود نگه می‌دارد. در نتیجه میدان در تمام نقاط داخل جسم صفر است. این موضوع نقش اصلی را در قفس فاراده بازی می‌کند. این قفس، یک پوستهٴ فلزی رساناست که فضای داخلی خود را از تأثیرات الکتریکی خارجی جدا می‌کند.

نقش الکتریسیتهٴ ساکن در طراحی آیتم‌های وسایل ولتاژ بالا، پررنگ است. برای شدت میدان الکتریکی که یک جسم متوسط می‌تواند تحمل کند، محدودیتی وجود دارد. فراتر از این نکته، شکست الکتریکی رخ می‌دهد و قوس الکتریکی سبب ایجاد صاعقه بین دو قسمت باردار می‌شود. برای مثال، هوا تمایل دارد با عبور دادن قوس الکتریکی و ایجاد شکاف، شدت میدان الکتریکی را به بیش از ۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر برساند. در شکاف‌های بزرگتر، شدت شکست ضعیفتر است و شاید یک کیلوولت در هر سانتیمتر باشد.[۴۷] مهم‌ترین رویداد قابل مشاهدهٴ آن، آذرخش است، که زمانی اتفاق می‌افتد که با افزایش ستون‌های هوا، بارها در ابرها جدا شوند و میدان الکتریکی هوا را افزایش دهند تا از حد تحمل، تجاوز کند. ولتاژ آذرخش‌های بزرگ می‌تواند به بزرگی ۱۰۰ مگاولت باشد و انرژی به بزرگی ۲۵۰کیلووات ساعت را تخلیه کند.

شدت میدان تا حد زیادی تحت تأثیر اجسام رسانای نزدیک میدان قرار دارد و در اشیای نوک تیز تشدید می‌شود. از این موضوع در برقگیرها استفاده می‌شود که آذرخش، با استفاده از تیر نوک تیز مهار می‌شود تا ساختمان تحت محافظت، از صدمه دیدن در امان بماند.

پتانسیل الکتریکی

مفهوم پتانسیل الکتریکی با میدان الکتریکی ارتباط نزدیکی دارد. به بار کوچکی که در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نیرو وارد می‌شود، و برای حرکت دادن این بار بر خلاف نیرویی که بدان وارد می‌شود، به کار نیازمندیم. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه میزان انرژی لازم برای آوردن بار آزمون از فاصله بی‌نهایت دور به آن نقطه است. واحد آن اغلب ولت است، و یک ولت، پتانسیلی است که با استفاده از یک ژول کار می‌توان یک بار یک کولنی را از فاصله بی‌نهایت دور، به یک نقطه آورد. توصیح پتانسیل اگرچه رسمی است، کاربرد چندان ندارد و مفهوم کاربردی‌تر، اختلاف پتانسیل الکتریکی است که به انرژی لازم برای به حرکت درآوردن بار آزمون بین دو نقطه مشخص گفته می‌شود. میدان الکتریکی پایستار است؛ یه این معنا که به مسیری که بار می‌پیماید وابسته نیست، چون تمام مسیرهای بین دو نقطه به انرژی یکسانی نیاز دارند و بنابرین یک مقدار منحصر به فرد برای اختلاف پتانسیل مورد نیاز است. یکای ولت به عنوان واحد اندازه‌گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ شناخته می‌شود.

برای اهداف کاربردی، بهتر است نقطه‌ای به‌عنوان مبدأ انتخاب گردد و پتانسیل با توجه به آن اندازه‌گیری و مقایسه شود. مبدأ خیلی مناسب می‌تواند زمین الکتریکی باشد، که فرض بر اینست که پتانسیلش در تمام نقاط یکسان است. نام نقطه مبدأ، زمین الکتریکی است. زمین به‌عنوان منبع بی‌پایان از بارهای معادل مثبت و منفی فرض می‌شود و به همین دلیل، از نظر الکتریکی خنثی و غیرقابل باردار شدن است.

پتانسیل الکتریکی یک کمیت اسکالر است. به‌همین‌دلیل، تنها اندازه دارد و جهت ندارد. پتانسیل الکتریکی، مشابه بلندی است: همان‌طور که یک جسمِ رهاشده به‌دلیل اختلاف ارتفاع، به‌وسیلهٴ میدان جاذبه به سمت پایین سقوط می‌کند، بار الکتریکی نیز به‌دلیل اختلاف پتانسیل ناشی از میدان مغناطیسی سقوط می‌کند. همان‌طور که در نقشه‌های موجود، خطوط کانتوری نقاط هم ارتفاع را نشان می‌دهند، می‌توان مجموعه خطوطی که نقاط هم‌پتانسیل را نشان می‌دهند (با نام خطوط هم‌پتانسیل شناخته می‌شود)، پیرامون یک جسم دارای بار الکترومغناطیسی رسم کرد. خطوط هم‌پتانسیل با تمام خطوط نیرو زاویهٴ قائمه می‌سازند. همچنین آن‌ها با سطح رسانای الکتریکی موازی‌اند، در غیر این صورت، نیرویی تولید می‌شود که حاملان بار را به سطح پتانسیل می‌برد.

میدان الکتریکی به‌طور رسمی به‌عنوان نیروی وارده به واحد بار تعریف می‌شود. اما مفهوم پتانسیل اجازه استفاده از تعریفی مفیدتر و معادل را می‌دهد: میدان الکتریکی گرادیان مکانی پتانسیل الکتریکیست. واحدش اغلب ولت بر متر است و جهت بردار میدان، بزرگترین شیب پتانسیل و جایی است که خطوط هم‌پتانسیل در نزدیکترین حالت قرار دارند.

آهنربای الکتریکی

میدان مغناطیسی، در اطراف یک جریان

موتور الکتریکی از یک اثر مهم در الکترومغناطیس استفاده می‌کند: جریان در میدان مغناطیسی نیرویی عمود بر میدان و جریان تجربه می‌کند.

کشف اورستد در سال ۱۸۲۱ مبنی بر وجود میدان مغناطیسی پیرامون سیم‌های حامل جریان الکتریکی، نشان داد که بین الکتریسیته و مغناطیس رابطه‌ای مستقیم وجود دارد. به نظر می‌رسید این فعل و انفعال با نیروی جاذبه و الکتریکی (دو نیروی طبیعت که تا آن زمان شناخته شده بودند)، متفاوت است. نیرویی که به سوزن قطب‌نما وارد می‌شد، آن را به سیم حامل جریان نه نزدیک می‌کرد و دور، اما با آن زاویهٴ قائمه می‌ساخت. واژه‌های نسبتاً ناآشنای اورستد این بود: «تضاد الکتریکی به روشی چرخشی عمل می‌کند.» این نیرو همچنین به جهت جریان نیز بستگی داشت؛ یعنی اگر جهت جریان برعکس می‌شد، جهت نیرو نیز معکوس می‌گشت.

اورستد اکتشاف خود را به‌طور کامل متوجه نشد، اما مشاهده کرد که آثار متقابل بودند: جریان به آهنربا و آهنربا به جریان نیرو وارد می‌کند. بعدها، آندره ماری آمپر این پدیده را بررسی کرد. او کشف کرد که دو سیم موازی حامل جریان به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. دو سیم که جهت جریانشان یکسان است، یکدیگر را جذب و دو سیم که جهت جریانشان مخالف هم است یکدیگر را دفع می‌کنند. این فعل و انفعال به‌واسطهٴ میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که هر جریان تولید می‌کند و اساس تعریف جهانی آمپر را شکل می‌دهد. موتور الکتریکی از یک اثر مهم در الکترومغناطیس استفاده می‌کند: جریان در میدان مغناطیسی نیرویی عمود بر میدان و جریان تجربه می‌کند.

رابطه بین میدان‌های مغناطیسی و جریان بسیار مهم است، زیرا سبب شد مایکل فارادی در سال ۱۸۲۱، موتور الکتریکی را اختراع کند. موتور تک‌قطبی فارادی از یک آهنربا داخل مخزن جیوه تشکیل می‌شد. جریان به‌وسیلهٴ سیمی آویزان از محور بالای آهنربا و غوطه‌ور در جیوه برقرار می‌شد. آهنربا نیرویی مماسی بر سیم وارد می‌کرد و برای اینکه جریان برقرار شود، آن را پیرامون آهنربا می‌پیچاند.

آزمایش‌های فارادی در سال ۱۸۳۱ نشان داد در بین دو نقطهٴ منتهایی سیمی که عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود. آنالیزهای متعاقب این فرایند، که با نام القای الکترومغناطیسی مشهور است، او را قادر ساخت تا قانون مشهور القای فارادی را بیان کند، قانونی که مطابق آن اختلاف پتانسیل مدار بسته، متناسب با تغییرات شار مغناطیسی حلقه است. استفاده از این کشف، او را قادر ساخت تا در سال ۱۸۳۱ اولین مولد الکتریکی را اختراع کند که انرژی مکانیکی دیسک مسی در حال چرخش را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کرد.[۵۴] دیسک فارادی هیچ استفاده عملی نداشت، ولی نشان داد که می‌توان با استفاده از مغناطیس نیروی الکتریکی تولید کرد.

الکتروشیمی

فیزیکدان ایتالیایی، آلساندرو ولتا، باتری خود را به امپراتور فرانسه، ناپلئون بناپارت نشان می‌دهد. توانایی واکنش شیمیایی برای تولید الکتریسیته و برعکس، توانایی الکتریسیته برای پیش بردن واکنش شیمیایی، استفاده‌های فراوانی دارد. الکتروشیمی همواره بخش مهمی از الکتریسیته بوده‌است. از زمان اختراع پیل ولتایی، پیل‌های الکتروشیمیایی وارد انواع مختلف باتری‌ها، پیل‌های آبکاری و برق‌کافت شده‌است. با این روش، آلومینیم در حجم بزرگ تولید شد و انرژی بسیاری از وسایل قابل حمل با استفاده از پیل‌های قابل شارژ تأمین شد.

مدارهای الکتریکی

یک مدار الکتریکی ساده. منبع ولتاژ V در سمت چپ جریان الکتریکی I را تولید می‌کند و انرژی الکتریکی را به مقاومت R می‌رساند. جریان از مقاومت به منبع بازمی‌گردد و مدار کامل می‌شود. مدار الکتریکی اتصالی داخلی از اجزای الکتریکی است تا بارهای الکتریکی در مسیر بسته، به‌منظور هدفی معین جریان یابند. اجزای مدار الکتریکی می‌تواند شکل‌های مختلفی داشته باشد که شامل عناصری چون مقاومت‌ها، خازن‌ها، کلیدها، ترانسفورماتورها و وسایل الکترونیکی است. مدارهای الکتریکی حاوی اجزای فعال به ویژه نیم‌رساناها هستند و رفتاری غیر خطی نشان می‌دهند که نیازمند آنالیز پیچیده‌ای است. ساده‌ترین اجزای الکتریکی، اجزای غیرفعال و خطی‌اند که اگرچه ممکن است به‌طور موقت انرژی را ذخیره کنند، ولی شامل هیچ منبعی از آن نمی‌شوند و به تحریک‌ها پاسخ خطی می‌دهند.

شاید مقاومت ساده‌ترین عنصر غیرفعال مدار باشد. مقاومت، همان‌طور که از نامش پیداست، در مقابل جریان مقاومت نشان می‌دهد و انرژی را به‌صورت گرما هدر می‌دهد. مقاومت حاصل حرکت بار در رساناست: برای مثال، در فلزات، مقاومت از برخورد الکترون‌ها و یون‌ها با هم حاصل می‌شود. قانون اهم قانون ابتدایی نظریه مدارها است و بیان می‌کند که جریان گذرا از یک مقاومت، با اختلاف پتانسیل دو سر آن متناسب است. مقاومت بیشتر مواد در طیف‌های مختلف دما و جریان تقریباً ثابت است؛ موادی که از این شرایط پیروی می‌کنند، مواد «اهمی» نام دارند. اهم، واحد مقاومت است که به افتخار گئورگ زیمون اهم نامگذاری شده و علامتش حرف یونانیِ Ω است. یک اهم، مقاومتی است که در پاسخ به جریان یک آمپری، اختلاف پتانسیل یک ولتی ایجاد می‌کند.

خازن حاصل توسعه بطری لیدن و وسیله‌ای است که می‌تواند بار را به شکل انرژی الکتریکی در میدان حاصل ذخیره کند. خازن از دو صفحه رسانا ساخته شده که به‌وسیلهٴ عایق دی‌الکتریک از یکدیگر جدا شده‌اند. در عمل، ورقه‌های فلزی نازک به یکدیگر چسبیده‌اند تا سطح تماس در واحد حجم و در نتیجه ظرفیت خازنی را افزایش دهند. واحد ظرفیت خازن، بعد از مایکل فارادی، فاراد نامگذاری شد که با علامت F نشان داده می‌شود. یک فاراد، حاصل اختلاف پتانسیل یک ولتی حاصله به هنگام ذخیره یک کولن بار الکتریکی در خازن است. خازن متصل به منبع تغذیه در ابتدا به این دلیل که بار الکتریکی انباشته می‌کند، جریانی ایجاد می‌نماید. این جریان رفته رفته با پر شدن خازن کم می‌شود و در انتها به صفر می‌رسد. لذا یک خازن، جریان پایدار ایجاد نمی‌کند، بلکه مسیر آن را می‌بندد.

القاگر با قابلیت رسانش، اغلب به شکل سیم پیچ است و در میدان مغناطیسی حاصل از جریان عبوری انرژی ذخیره می‌کند. زمانی که جریان تغییر می‌کند، میدان مغناطیسی و همچنین ولتاژ بین دو سر رسانا نیز دچار تغییر و تحول می‌گردد. ولتاژ حاصله، با مشتق زمانی جریان متناسب است. ثابت تناسب آندوکتانس نام دارد. واحد آندوکتانس هانری است که به افتخار جوزف هانری انتخاب شده‌است. یک هانری، آندوکتانسی است که اگر جریان گذرا از آن القاگر در هر ثانیه یک آمپر تغییر کند، اختلاف پتانسیل یک ولتی را ایجاد می‌کند. از برخی جهات، رفتار القاگر برعکس خازن است: القاگر در جریان مستقیم تبدیل به مقاومت عادی می‌شود اما در مقابل جریان در حال تغییر ایستادگی می‌کند.

توان الکتریکی

توان الکتریکی مقدار انرژی الکتریکی است که در واحد زمان به وسیله مدار الکتریکی جابجا می‌شود. واحد توان در دستگاه بین‌المللی یکاها وات است که با حرف P نمایش داده می‌شود. یک وات معادل یک ژول بر ثانیه است. توان الکتریکی مانند توان مکانیکی، سرعت انجام کار است. توان الکتریکی تولید شده به وسیله یک جریان الکتریکی، برابر است با بار Q که در هر t ثانیه از اختلاف پتانسیل V عبور می‌کند.

Q بار الکتریکی با واحد کولن

T زمان با واحد ثانیه

I جریان الکتریکی با واحد آمپر

V ولتاژ با واحد ولت

تولید انرژی الکتریکی اغلب به وسیله مولد الکتریکی صورت می‌گیرد، اما این اتفاق می‌تواند به وسیله باتریهای شیمیایی یا سایر انواع متنوع منابع انرژی نیز اتفاق افتد. توان الکتریکی لازم برای کسب و کار و استفاده خانگی به وسیله صنعت نیرو تولید می‌شود. واحد فروش برق کیلووات ساعت (۳٫۶مگاژول) است که حاصل ضرب نیرو با واحد کیلووات در زمان با واحد ساعت است. شرکت‌های برق، میزان الکتریسته مصرفی را به وسیله کنتور اندازه‌گیری می‌کنند، که انرژی الکتریکی مصرفی مشتریان را نمایش می‌دهد.

الکترونیک

اجزای الکتریکی فناوری نصب سطحی

الکترونیک با مدارهای الکتریکی در ارتباط است که شامل اجزای الکتریکی فعال مانند لامپ‌های خلأ، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می‌شود و با تکنولوژی‌های اتصال داخلی غیرفعال در ارتباط است. رفتار غیرخطی اجزای فعال و توانایی آن‌ها در کنترل جریانهای الکترونی، سیگنال‌های ضعیف را تقویت می‌کند و در پردازش اطلاعات، مخابرات و پردازش سیگنال استفاده گسترده‌ای از الکترونیک صورت می‌گیرد. توانایی وسایل الکترونیک در عمل کردن به عنوان مدار امکان پردازش اطلاعات را فراهم می‌سازد. تکنولوژی‌های اتصال داخلی مانند فیبرهای مدار چاپی، تکنولوژی بسته‌بندی الکترونیک، و سایر انواع متنوع وسایل ارتباطی، قابلیت مدار را کامل کرده و اجزای مخلوط را به شکل یک سامانه کارآمد تبدیل کرده‌است.[نیازمند منبع]

امروزه، بسیاری از وسایل الکترونیکی به منظور کنترل الکترونی از مواد نیم‌رسانا استفاده می‌کنند. مطالعه وسایل نیم‌رسانا و تکنولوژی مرتبط با آن‌ها شاخه‌ای با نام فیزیک حالت جامد ایجاد کرده‌است و طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی برای حل مسائل عملی و فنی، در زیرشاخهٴ مهندسی الکترونیک قرار دارد.

موج الکترومغناطیسی

فارادی و آمپر نشان دادند که یک میدان مغناطیسی متغیر در زمان، منبع یک میدان الکتریکی و یک میدان الکتریکی متغیر در زمان، منبع یک میدان مغناطیسی است. پس زمانی که یکی از این دو میدان در بازه زمانی تغییر می‌کند، دیگری ایجاد می‌شود. این پدیده، ویژگی‌های موج را دارد و به‌طور طبیعی با نام تابش الکترومغناطیسی یاد می‌شود. در سال ۱۸۶۴، جیمز کلرک ماکسول، امواج الکترومغناطیسی را از نظر تئوری بررسی کرد. ماکسول مجموعه‌ای از روابط را بیان کرد که قادر بودند ارتباط بین میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، بار الکتریکی و جریان الکتریکی را به روشنی نشان دهند. او همچنین ثابت کرد که این امواج، با سرعت نور حرکت می‌کنند، بنابراین خود نور نیز شکلی از تابش‌های الکترومغناطیس است. معادلات ماکسول، که نور، میدان و بار را یکپارچه می‌کند، یکی از بزرگترین نقاط عطف فیزیک تئوری است.

تلاش بسیاری از محققان، امکان استفاده از الکترونیک برای تبدیل سیگنال‌ها به جریان فرکانس بالای نوسان‌دار را فراهم ساخت و به‌وسیلهٴ رساناهای دارای شکل مناسب، الکتریسیته اجازهٴ ارسال و دریافت این سیگنال‌ها را به‌وسیلهٴ امواج رادیویی در فاصله‌های بسیار دور صادر کرد.

تولید و استفاده

تولید و انتقال

آزمایش‌های تالس با میلهٴ کهربا، اولین مطالعات پیرامون تولید انرژی الکتریکی بود. اگرچه این روش، که به اثر برق مالشی معروف است، می‌تواند اجسام سبک را بلند و جرقه تولید کند، اما بسیار ناموثر است.تا پیش از اختراع پیل ولتایی در قرن هجدهم، هیچ منبع الکتریسیته مداومی در دسترس نبود. پیل ولتایی و نسل مدرنش، باتری‌های الکتریکی، انرژی شیمیایی را ذخیره می‌کنند و در هنگام نیاز آن را به شکل انرژی الکتریکی در دسترس قرار می‌دهند.[۵۷] باتری، یک منبع برق همه‌کاره و رایج و مناسب برای بسیاری از وسایل است. ولی ذخیره انرژی آن محدود است و زمانی که شارژش تمام می‌شود باید تعویض یا شارژ شود. برای تقاضاهای الکتریکی عظیم باید به‌طور مداوم انرژی تولید و به وسیله خطوط انتقال رسانا منتقل شود.

الکتریسیته، اغلب به‌وسیلهٴ مولدهای الکتریکی تولید می‌شود که با بخار حاصل از احتراق سوخت‌های فسیلی، گرمای آزاد شده از رآکتورهای هسته‌ای یا سایر منابع انرژی مانند انرژی جنبشی حاصله از باد و جریان آب به حرکت در می‌آیند. توربین بخار مدرن که در سال ۱۸۸۴ توسط چارلز آلگرنون پارسونز اختراع شد، امروزه با استفاده از منابع متنوع گرما، حدود ۸۰ درصد توان الکتریکی جهان را تولید می‌کند. این مولدها هیچ شباهتی به مولد تک‌قطبی فارادی که در سال ۱۸۳۱ اختراع شد، ندارند، اما از قانون الکترومغناطیسی او پیروی می‌کنند که می‌گوید رسانایی که به میدان مغناطیسی متغیری متصل است بین دوسرش، اختلاف پتانسیل تولید می‌شود.[۵۸] اختراع ترانسفورماتور در اواخر قرن نوزدهم، بشر را قادر کرد تا نیروی الکتریکی را با ولتاژی بالاتر ولی جریانی کمتر انتقال دهد. انتقال بهینه انرژی الکتریکی بدین معنا بود که می‌توان الکتریسیته را در یک نیروگاه مرکزی تولید کرد و از صرفه‌جویی در مقیاس سود بُرد، آن‌گاه آن را برای استفاده به فاصله‌های دور فرستاد.

از آنجا که انرژی الکتریکی را نمی‌توان به اندازه‌ای ذخیره کرد که قادر به پاسخ‌گویی تقاضا در سطح ملی باشد، باید در هر زمان، به اندازه‌ای که لازم است، تولید شود. پس صنعت برق باید پیش‌بینی دقیقی از بارگذاری الکتریکی داشته باشد و ارتباط پایداری با نیروگاه‌های خود برقرار کند. باید همواره مقدار معینی از برق، ذخیره شود تا برای مواقع اضطراری و بروز اختلالات، تکیه‌گاهی محکم وجود داشته باشد.

متناسب با توسعه اقتصادی کشورها، تقاضا برای الکتریسیته با سرعت بالایی افزایش می‌یابد. در آمریکا، تقاضای برق در سه دهه اول سده بیستم، سالانه ۱۲ درصد افزایش می‌یافت. اکنون کشورهای نو ظهور در عرصه اقتصاد، مانند چین و هند با چنین افزایشی مواجهند. به‌طور تاریخی، افزایش تقاضای برق، از تقاضا برای سایر شکل‌های انرژی پیش افتاده‌است. نگرانی‌های محیطی از تولید الکتریسیته منجر به افزایش تمرکز برای استفاده از منابع تجدیدپذیر، به‌خصوص توان بادی و انرژی آبی شده‌است. اگرچه می‌توان انتظار داشت که تأثیر محیطی وسایل مختلف الکتریکی ادامه می‌یابد، شکل نهایی آن تقریباً پاک است.

کاربردها

لامپ رشته‌ای، یکی از کاربردهای اولیه الکتریسیته که با گرمایی ژولی کار می‌کند: عبور جریان از مقاومت گرما تولید می‌کند. الکتریسیته یک راه بسیار مناسب برای انتقال انرژی و استفاده‌ از آن، متداول و رو به افزایش است. اختراع لامپ رشته‌ای در دهه ۱۸۷۰ سبب شد که نورپردازی به یکی از عمومی‌ترین کاربردهای توان الکتریکی تبدیل شود. اگرچه برق‌رسانی خطرات خاص خود را دارد، جایگزین کردن شعله‌های عریان چراغ نفتی با آن، به‌طور چشم‌گیری حوادث آتش‌سوزی در خانه‌ها و کارخانه‌ها را کاهش داد. امکانات عمومی با هدف روبه رشد قرار دادن بازار نور پردازی، در بسیاری از شهرها برقرار شد.

از تأثیر گرمای ژولی در لامپ‌های رشته‌ای، استفاده‌های مستقیم بیشتری در گرمایش الکتریکی می‌شود. درحالی که پرکاربرد و قابل کنترل است، می‌تواند مفید نیز باشد، زیرا بیشتر تولید الکتریکی نیازمند تولید گرما در نیروگاه‌ها هستند. تعدادی از کشورها مانند دانمارک، در زمینه محدود کردن و ممنوعیت استفاده از گرمایش الکتریکی در ساختمان‌های نوساز، قانون وضع کرده‌اند. با این وجود، الکتریسیته یک منبع انرژی پر کاربرد برای گرمایش و خنک‌سازی، با تهویه مطبوع/پمپ‌های حرارتی است که بخش در حال توسعه‌ای برای تقاضای الکتریسیته به نظر می‌رسد و تأثیرات آن سبب شده‌است که صنعت برق به فکر تأمین این نیاز برآید.

یکی از اولین کاربردهای الکتریسیته، در مخابرات و تلگراف است که اولین بار در سال ۱۸۳۷ توسط ویلیام فوترگیل کوکه و چارلز ویتستون معرفی شد. با ساخت اولین تلگراف بین‌قاره‌ای و پس از آن کابل تلگراف بین‌قاره‌ای در دهه ۱۸۶۰، الکتریسیته جهان را قادر ساخت تا در مدت چند ثانیه ارتباط برقرار کند.[نیازمند منبع] تکنولوژی فیبر نوری و ماهواره مخابراتی به‌طور مشترک بازار سیستم برقراری ارتباط را به دست گرفته‌اند، اما به نظر می‌رسد الکتریسیته بخش اساسی این فرایند باقی بماند.

اثر الکترومغناطیس به‌طور آشکار در موتور الکتریکی به کار می‌رود، که ابزاری مؤثر و پاک برای توان متحرک فراهم می‌آورد. یک موتور بی حرکت مانند وینچ، به راحتی مقداری نیرو فراهم می‌آورد، اما موتوری که با کاربرد برق حرکت می‌کند، مانند یک ماشین برقی، باید یا یک منبع توان مانند باتری را حمل کند یا جریان را از یک اتصال کشویی مانند یک شاخک برقرسان دریافت کند. همچنین از الکتریسیته برای تأمین سوخت حمل و نقل عمومی شامل اتوبوس‌ها و قطارهای برقی استفاده می‌شود.

وسایل الکترونیک از ترانزیستور، احتمالاً یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن بیستم است. یک مدار مجتمع مدرن می‌تواند شامل چند میلیارد ترانزیستور کوچک‌شده در چند سانتیمتر مربع باشد.

اگر به بدن انسان ولتاژی اعمال شود، جریان الکتریکی از بافت‌های آن عبور می‌کند. با اینکه رابطهٔ بین این‌ها غیر خطی است، ولی با افزایش ولتاژ جریان عبوری نیز زیاد می‌شود. آستانهٴ درک انسان با توجه به فرکانس و مسیر عبوری جریان متغیر، ولی برای فرکانس اصلی (در آسیا ۶۰ هرتز) بین ۰٫۱ تا ۱ میلی‌آمپر متغیر است. با این وجود، یک جریان ضعیف در حد میکروآمپر در شرایط مشخصی به عنوان الکترولرزه توسط بدن تشخیص داده می‌شود. اگر جریان خیلی قوی باشد موجب انقباض ماهیچه‌ها، تارلرزه قلب و سوختگی بافت می‌شود. هیچ مشخصه ظاهری برای یک جسم هادی حاوی الکتریسیته وجود ندارد در نتیجه برق یک خطر منحصربفرد است. دردی که شوک الکتریکی ایجاد می‌کند، می‌تواند شدید باشد و به همین دلیل، در دوران‌های مختلف از آن به‌عنوان یک روش برای شکنجه استفاده شده‌است. به مرگی که ناشی از شوک الکتریکی باشد مرگ در اثر برق اطلاق می‌شود. در حال حاضر استفاده از این عبارت، جز در بعضی حوزه‌های قضایی، که در آن‌ها به معنی اعدام است، کاهش یافته‌است.

الکتریسیته توسط انسان اختراع نشده‌است و در طبیعت به شکل‌های مختلف وجود دارد. یک نمود همیشگی آن آذرخش است. بسیاری از تعاملات آشنا در حد ماکروسکوپیک مانند حس لامسه، اصطکاک و پیوندهای شیمیایی ناشی از تعاملات بین میدان‌های الکتریکی در مقیاس اتمی هستند. تصور می‌شود که میدان مغناطیسی زمین توسط یک دینام طبیعی ناشی از جریانهای دوار در مرکز سیاره ایجاد شده‌است. کریستال‌های مشخصی مانند کوارتز و شکر زمانی که تحت فشار قرار می‌گیرند بین دو طرف خود اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کنند. این پدیده که اثر فشاربرقی نام دارد و از واژه یونانی piezein به معنی فشار گرفته شده‌است، در سال ۱۸۸۰ توسط پیر کوری و ژاکس کوری کشف شده‌است. این اثر، دوطرفه است یعنی اگر یک ماده پیزوالکتریک را در میدان الکتریکی قرار دهیم ابعاد آن به مقدار بسیار ناچیز تغییر می‌کند.

بعضی از موجودات زنده مانند کوسه‌ها قادرند تغییرات میدان الکتریکی را حس کنند و به آن پاسخ دهند. این توانایی را دریافت الکتریسیته گویند. گونه‌های دیگری وجود دارند که قادرند برای شکار یا دفاع از خود ولتاژ ایجاد کنند. به این توانایی، پیدایش الکتروزیستی گویند. راسته برق‌ماهی‌سانان، که معروفترین آن‌ها مارماهی الکتریکی است، قادر است با ایجاد یک ولتاژ قوی توسط سلول‌های تغییریافتهٔ ماهیچه موسوم به الکتروسلول، طعمه خود را تشخیص دهد یا بی‌حس کنند.[۴][۵] همهٔ حیوانات اطلاعات را در امتداد غشای سلولی توسط تپش‌های (پالس‌های) ولتاژ انتقال می‌دهند که به آن پتانسیل عمل می‌گویند. وظیفهٴ آن، شامل ایجاد ارتباط بین ماهیچه‌ها و یاخته‌های عصبی توسط دستگاه عصبی است. شوک الکتریکی این سیستم را تحریک می‌کند و موجب انقباض ماهیچه‌ها می‌شود. پتانسیل عمل در بعضی گیاهان مسئول فعالیت‌های هماهنگی است.

درک فرهنگی

در سال ۱۸۵۰، ویلیام اوارت گلدستون از مایکل فارادی پرسید، چرا الکتریسیته ارزشمند است. فارادی پاسخ داد، «یک روز شما مالیات آن را خواهید پرداخت. در قرن ۱۹ام و اوایل قرن ۲۰ام، حتی در جهان صنعتی غرب، هنوز الکتریسیته به بخشی از زندگی روزمره مردم تبدیل نشده بود. فرهنگ عامه زمان، اغلب آن را در قالب نیرویی اسرارآمیز و شبه جادویی به تصویر می‌کشید که قادر بود زندگی را نابود و مرده را زنده کند یا حتی قوانین طبیعت را به زانو درآورد. این گرایش با آزمایش‌های لوییجی گالوانی در سال ۱۷۷۱ ایجاد شد که در آن پاهای قورباغه‌های مرده با به کار بردن الکتریسته حیوانات به حرکت درآمد. اندکی پس از کار گالوانی، «تجدید حیات» یا احیای مجدد افراد ظاهراً مرده یا غرق شده، در ادبیات پزشکی گزارش شد. این نتایج با مری شلی به هنگام انتشار فرانکنشتاین (۱۸۱۹)، مشهور شدند، اگرچه او واژهٔ تجدید حیات را به هیولا نسبت نداد. تجدید حیات هیولاها با استفاده از الکتریسیته، بعداها به موضوعی ترسناک در فیلم‌های ژانر وحشت تبدیل شد.

با افزایش آشنایی عمومی با الکتریسیته به عنوان نیروی حیاتی انقلاب صنعتی دوم، صاحبانش در نقش‌های مثبتی، مانند کارکنان در «مرگ انگشت در پایان دست‌کش‌هایشان مانند قطعه قطعه کردن سیم‌های زندگی» در شعر پسران مارتا از رودیارد کیپلینگ در سال ۱۹۰۷ ظاهر شدند.[۸۶] ماشین‌های دارای قدرت الکتریکی از تمام انواع، در داستان‌های ماجراجویانه‌ای چون داستان‌های ژول ورن و تام سویفت برجسته شدند. اربابان الکتریسیته، چه تخیلی و چه واقعی، از جمله دانشمندانی چون توماس ادیسون، چارلز آلگرنون پارسونز، و نیکولا تسلا، به عنوان جادوگران علم میان مردم مشهور شدند. با از بین رفتن تازگی الکتریسیته و تبدیل شدن به ابزاری واجب برای زندگی روزمره در نیمه دوم قرن بیستم، تنها زمانی نیازمند توجه به فرهنگ عامه می‌شد که جریان قطع می‌گشت. افرادی که جریان را برقرار می‌کنند، مانند قهرمانان بی‌نام و نشان آهنگ ویچیتا لینمان (۱۹۶۸)، اثر جیمی وب، هنوز اغلب در هیبت قهرمانانه و جادوگرانه خودنمایی می‌نمایند.

مهندسی رایانه یا مهندسی کامپیوتر دانشی است مرکب از مباحث نرم‌افزار. این رشته برخلاف مهندسی نرم‌افزار با طراحی و توسعه و تولید سیستم‌های رایانه‌ای در هر دو شاخه سخت‌افزار و نرم‌افزار سر و کار دارد. مهندسی رایانه شاخه‌ای از مهندسی است که چندین زمینه موردنیاز از علوم رایانه و الکترونیک را برای توسعه سخت‌افزار و نرم‌افزار رایانه ادغام می‌کند. مهندسان رایانه معمولاً علاوه بر مهندسی نرم‌افزار یا مهندسی الکترونیک رایانه در طراحی نرم‌افزار و سخت‌افزار مهارت دارند. مهندسان در طراحی بسیاری از سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای محاسباتی، شامل طراحی ریزکنترلگرهای فردی، ریزپردازنده‌ها، رایانه‌های شخصی و ابررایانه‌ها و طراحی مدار مهارت دارند. این حوزه مهندسی افزون بر چگونگی کارکرد سیستم‌های رایانه‌ای، بر چگونگی کاربردی‌تر کردن آن نیز تمرکز دارد.

وظایف معمول مهندسان رایانه شامل نوشتن نرم‌افزار و سیستم عامل برای میکروکنترلرهای جاسازی شده، طراحی تراشه‌های VLSI، طراحی سنسورهای آنالوگ، طراحی صفحات مدار و طراحی سیستم‌های عامل رایانه است. مهندسان رایانه نیز برای تحقیقات رباتیک مناسب هستند که به شدت بر استفاده از سیستم‌های کنترل و نظارت بر سیستم‌های الکتریکی مانند موتور، ارتباطات، و سنسورهای دیجیتال متکی هستند.

در بسیاری از موسسات، دانشجویان مهندسی رایانه مجاز هستند تا زمینه‌های تحصیلات عالی را در سال‌های پایه و پایانی خود انتخاب کنند زیرا گستره وسیع دانش مورد استفاده در طراحی و کاربرد رایانه‌ها فراتر از دامنه تحصیلات تکمیلی است. سایر موسسات ممکن است نیاز به دانش آموزان مهندسی رایانه به عنوان تمرکز اصلی خود برای تکمیل یک یا دو سال مهندسی عمومی قبل از اعلان داشته باشند.

مهندسی رایانه در سال ۱۹۳۹ آغاز شد، زمانی که جان وینسنت آتناواف و کلیفورد بری از طریق فیزیک، ریاضیات و مهندسی برق الکترونیک شروع به توسعه اولین رایانه دیجیتال جهان کردند. جان وینسنت آتناواف یک استاد فیزیک و ریاضیات دانشگاه ایالتی آیووا و کلیفورد بری یک فارغ‌التحصیل سابق در زمینه مهندسی برق و فیزیک بود. آن‌ها با هم، رایانه Atanasoff-Berry را نیز به وجود آوردند که همچنین به عنوان ABC شناخته شده بود که برای تکمیل ۵ سال طول کشید. در حالی که ABC اصلی در دهه ۱۹۴۰ از بین رفته و دور انداخته شد، یک نسخه از ABC در سال ۱۹۹۷ ساخته شد.

تاریخچه آموزش مهندسی رایانه

اولین دوره کارشناسی مهندسی رایانه در ایالات متحده در سال ۱۹۷۲ در دانشگاه کلیولند، اوهایو رزرواسیون در غرب ایالات متحده تأسیس شد.[۸] از سال ۲۰۱۵، ۲۵۰ برنامه مهندسی رایانه با مجوز ABET در ایالات متحده[۸] وجود دارد. در اروپا، اعتبار بخشی از مدارس مهندسی رایانه توسط بخش‌های مختلف سازمان از شبکه EQANIE انجام می‌شود. با توجه به افزایش تقاضای کار برای مهندسان که می‌توانند به‌طور همزمان سخت‌افزار، نرم‌افزار، سیستم عامل، و تمام انواع سیستم‌های رایانه‌ای که در صنعت استفاده می‌شود را طراحی کنند بعضی از موسسات عالی‌رتبه در سراسر جهان، مدرک لیسانس را به‌طور کلی به نام مهندسی رایانه ارائه می‌دهند. هر دو مهندسی رایانه و مهندسی الکترونیک شامل طراحی مدار آنالوگ و دیجیتال در برنامه درسی خود می‌باشد. مانند همه رشته‌های مهندسی، داشتن دانش ریاضی و علوم برای مهندسان رایانه ضروری است.

تحصیلات

مهندسی رایانه در برخی از دانشگاه‌ها به عنوان علوم رایانه و مهندسی شناخته می‌شود. بیشترین مشاغل مهندسی رایانه نیاز به حداقل یک مدرک لیسانس در مهندسی رایانه (یا علوم رایانه و مهندسی) دارد. مهندسین رایانه به‌طور معمول باید یک شاخه از ریاضیات مانند حسابداری، جبر و مثلثات و بعضی کلاس‌های علم رایانه را یاد بگیرند. از آنجا که مهندسان سخت‌افزار معمولاً با سیستم‌های نرم‌افزاری رایانه‌ای کار می‌کنند داشتن زمینه ای قوی در برنامه‌نویسی رایانه ضروری است. طبق آمار دفتر آمار ایالات متحده رشته مهندسی رایانه شبیه به مهندسی برق است، اما برخی از دوره‌های علوم رایانه به برنامه درسی اضافه شده‌است. برخی از شرکت‌های بزرگ یا شغل‌های تخصصی نیاز به مدرک کارشناسی ارشد دارند. همچنین برای مهندسان رایانه بسیار مهم است که با پیشرفت‌های سریع در تکنولوژی منطبق شوند؛ بنابراین، بسیاری یادگیری را در سراسر حرفه خود ادامه می‌دهند. این می‌تواند مفید باشد، به ویژه هنگامی که به یادگیری یا بهبود مهارت‌های جدید موجود می‌رسد.

کاربردها

دو بخش عمده در مهندسی رایانه وجود دارد: سخت‌افزار و نرم‌افزار.

مهندسی سخت‌افزار رایانه

طبق آمار دفتر آمار ایالات متحده (BLS)، رشد شغلی ده درصدی از سال ۲۰۱۴ تا ده سال آینده برای مهندسی سخت‌افزار رایانه تخمین زده می‌شود. در سال۲۰۱۴برای مهندسی سخت‌افزار رایانه حدود ۳٪ بود و در مجموع ۷۷٬۷۰۰ شغل در همان سال وجود داشت.[۱۱] امروزه سخت‌افزار رایانه به نوعی برابر با مهندسی الکترونیک و رایانه (electrical computer engineering) است. مهندسی (ECE) و به بسیاری از زیر شاخه‌ها تقسیم شده‌است که مهم‌ترین آن طراحی سیستم جاسازی شده‌است.

مهندسی نرم‌افزار رایانه

طبق آمار دفتر آمار ایالات متحده (BLS)، مهندسان نرم‌افزارهای رایانه‌ای و نرم‌افزارهای سیستم‌های رایانه‌ای در مقایسه با سایر شغل‌ها قرار است سریعتر رشد کنند. رشد هفده درصدی از سال ۲۰۱۴ تا ده سال آینده برای مهندسی نرم‌افزار رایانه‌ای تخمین زده می‌شود و در مجموع ۱۱۴ هزار شغل در همان سال وجود خواهد داشت.[۱۴] علاوه بر این، نگرانی‌های روزافزون در مورد امنیت سایبری، باعث شده تا مهندسی نرم‌افزار رایانه دارای بیشترین نرخ متوسط افزایش تقاضای بازار کار برای همه زمینه‌ها باشد.[۱۵][۱۶][۱۷] با توجه به این، رشد شغلی بیشتر از آنچه در طول دهه گذشته بوده‌است، خواهد بود.[۱۸] علاوه بر این، چشم‌انداز شغل برای برنامه نویسان رایانه ،۸ درصد کمتر از کسانی است که برنامه‌های رایانه‌ای را می‌نویسند (یعنی سیستم‌های جاسازی شده) که جزو توسعه دهندگان نرم‌افزار رایانه نیستند.

زمینه‌های تخصصی

زمینه‌های تخصصی بسیار زیادی در رشته مهندسی رایانه وجود دارد.

برنامه‌نویسی، رمزنگاری و محافظت از اطلاعات

مهندسان رایانه روی برنامه‌نویسی، رمزنگاری و محافظت از اطلاعاتی مانند تصاویر دیجیتال و موسیقی برای ایجاد روش‌های جدید برای محافظت از انواع مختلف داده و روی ارتباطات بی‌سیم، سیستم‌های چند آنتن، انتقال نوری کار می‌کنند.

ارتباطات و شبکه‌های بی‌سیم

کسانی که روی ارتباطات و شبکه‌های بی‌سیم تمرکز می‌کنند، در سیستم‌های مخابراتی و شبکه‌ها (به خصوص شبکه‌های بی‌سیم) به صورت تخصصی و پیشرفته کار می‌کنند. مدولاسیون و کدگذاری خطا و نظریه اطلاعات و طراحی شبکه با سرعت بالا، طراحی و تجزیه و تحلیل سیستم تحمل خطا، و طرح‌های ذخیره‌سازی و انتقال همه بخشی از این تخصص است.

کامپایلرها و سیستم عامل

این تخصص بر طراحی و توسعه کامپایلرها و سیستم عامل‌ها تمرکز دارد. مهندسین در این زمینه سیستم عامل جدیدی را توسعه می‌دهند. معماری سیستم، تکنیک‌های تحلیل برنامه و تکنیک‌های جدید برای اطمینان از کیفیت نمونه‌هایی از کار در این زمینه است.

علم محاسباتی و مهندسی

علوم و مهندسی محاسبات یک رشته نسبتاً جدید است. کار افراد در این زمینه، کشف روش‌های محاسباتی برای فرموله کردن و حل مشکلات پیچیده ریاضی در مهندسی و علوم فیزیکی و اجتماعی است. طراحی هواپیما، طراحی مدار VLSI، سیستم‌های تشخیص رادار، انتقال یون از طریق کانال‌های بیولوژیکی نمونه‌هایی از کار در این زمینه است.

شبکه‌های رایانه‌ای محاسبات همراه و سیستم‌های توزیع شده

در این تخصص، مهندسان محیط‌های یکپارچه را برای محاسبات، ارتباطات و دسترسی به اطلاعات ایجاد می‌کنند. مانند شبکه‌های بی‌سیم، مدیریت منابع در سیستم‌های مختلف و بهبود کیفیت خدمات در موبایل و دستگاه‌های خودپرداز و کار بر روی سیستم‌های شبکه‌های بی‌سیم از نمونه‌های کار در این زمینه است.

سیستم‌های رایانه‌ای: معماری، پردازش موازی و قابلیت اطمینان

مهندسین کار در سیستم‌های رایانه‌ای بر روی پروژه‌های تحقیقاتی کار می‌کنند که برای رایانه قابل اعتماد، امن و با کارایی بالا امکان‌پذیر است. سیستم‌های پروژه‌هایی مانند طراحی پردازنده‌های چند رشته‌ای و پردازش موازی در این زمینه گنجانده شده‌است. مثالهای دیگر از کار در این زمینه شامل توسعه نظریه‌های جدید، الگوریتم‌ها و سایر ابزارهایی است که به سیستم‌های رایانه‌ای ربط داده شده‌است. معماری رایانه شامل طراحی واحد مرکزی پردازش، چیدمان سلسله مراتب ذخیره‌سازی و سازمان حافظه است.

بینایی رایانه و روباتیک

در این تخصص، مهندسان رایانه بر روی توسعه تکنولوژی حسگر بصری تمرکز می‌کنند تا یک محیط را درک کند، نمایه ای از یک محیط زیست و دستکاری در محیط زیست. سپس اطلاعات جمع‌آوری شده سه بعدی برای اجرای وظایفی پردازش می‌شود. انواع وظایف شامل بهبود مدل‌سازی انسان، ارتباطات تصویری و رابط‌های انسانی و رایانه است. دستگاه‌هایی مانند دوربین‌های ویژه با سنسور بینایی همه‌کاره.

سیستم‌های جاسازی شده

افرادی که در این زمینه کار می‌کنند، تکنولوژی را برای افزایش سرعت، قابلیت اطمینان و عملکرد سیستم‌های جاسازی شده در بسیاری از آنها طراحی می‌کنند. سیستم‌های جاسازی شده در بسیاری ازدستگاه‌ها از یک رادیو FM کوچک تا شاتل فضایی یافت می‌شود. تحولات جاری در سیستم‌های جاسازی شده شامل موارد زیر است: وسایل نقلیه خودکار و تجهیزات برای انجام جستجو و نجات خودکار و سیستم‌های حمل و نقل و هماهنگی انسان و ربات برای تعمیر تجهیزات درفضا. از سال ۲۰۱۸، تعبیه تخصص مهندسی رایانه شامل طراحی سیستم بر روی تراشه، معماری محاسبات لبه و اینترنت اشیا است.

مدارهای مجتمع، طراحی VLSI، تست و CAD

این تخصص مهندسی رایانه نیاز به دانش کافی از الکترونیک و سیستم‌های الکتریکی دارد. مهندسانی که در این کار هستند بر روی افزایش سرعت، قابلیت اطمینان و بهره‌وری انرژی نسل بعدی مدارهای مجتمع (VLSI) مقیاس بسیار بزرگ و میکروسیستم کار می‌کنند یک مثال از این تخصص کار بر روی کاهش مصرف انرژی الگوریتم‌های VLSI و معماری است.

پردازش سیگنال، تصویر و گفتار

مهندسان رایانه در این زمینه به بهبود در تعامل انسان و رایانه می‌پردازند، از جمله تشخیص گفتار و سنتز، تصویربرداری پزشکی و علمی یا سیستم‌های ارتباطی. دیگر کارها در این زمینه شامل توسعه چشم رایانه مانند تشخیص ویژگی‌های صورت انسان است.

معماری رایانه در مهندسی رایانه، مجموعه ای از قوانین و روش‌هاست که عملکرد، سازماندهی و روند اجرای سیستم‌های رایانهای را توصیف می‌کند. برخی تعاریف معماری، آن را به عنوان توصیف توانایی‌ها و مدل برنامه نویسی رایانه، تعریف می‌کنند که در عین حال جنبه اجرایی ندارد. در تعاریف دیگر، معماری رایانه شامل طراحی مجموعه معماری، طراحی معماری خرد، طراحی منطق و پیاده سازی است.

اولین معماری مستند رایانه در مکاتبات چارلز بابیج و آدا لاولاس بود که موتور تحلیلی را توصیف می‌کرد. هنگام ساخت رایانه Z1 در سال 1936 ، کنراد زوزه در دو برنامه ثبت اختراع برای پروژه‌های آینده خود توضیح داد که دستورالعمل‌های ماشین می‌توانند در همان حافظه‌ای که داده‌ها ذخیره شده‌اند ذخیره گردند. . [۲] [۳] دو مثال اولیه و مهم دیگر عبارتند از:

مقاله جان فون نویمان در سال 1945 ،به نام First Draft of a Report on the EDVAC ، که توصیف کننده سازمانی از عناصر منطقی است.

ماشین حساب الکترونیکی آلن تورینگ که جزئیات بیشتری دارد، پیشنهاد شده برای موتور محاسبات اتوماتیک، همچنین در سال 1945 به مقاله جان فون نویمان اشاره کرده‌است. اصطلاح “معماری” در ادبیات رایانه را می‌توان در آثار لایل آر جانسون و فردریک پی بروکس جونیور، اعضای بخش سازمان ماشین در مرکز تحقیقات اصلی IBM در سال 1959 جستجو کرد. جانسون این فرصت را داشت که یک مقاله تحقیقاتی اختصاصی درباره Stretch ، ابررایانه IBM تولید شده برای آزمایشگاه ملی Los Alamos (در آن زمان به عنوان آزمایشگاه علمی Los Alamos)، بنویسد. وی برای توصیف سطح جزئیات برای بحث در مورد رایانه لوکس و مجلل، خاطرنشان کرد که توصیف او از قالب‌ها، انواع دستورالعمل‌ها، پارامترهای سخت افزاری و بالا بردن سرعت، در سطح “معماری سیستم” است، اصطلاحی که مفیدتر از “سازمان ماشین” به نظر می‌رسد .

متعاقباً، بروكس، یک طراح Stretch ، فصل 2 کتابPlanning a Computer System: Project Stretch by stating را “معماری رایانه” نامید. مانند سایر معماری‌ها، هنر، تعیین نیازهای کاربر از یک سازه و سپس طراحی آن برای رفع نیازها تا حد ممکن با توجه به محدودیت‌های اقتصادی و فناوری است. “

بروکس در ادامه به توسعه خط رایانه‌های IBM System / 360 (که اکنون IBM zSeries نامیده می شود) کمک می‌کند، که در آن “معماری” به عنوان “آنچه کاربر باید بداند” تعریف می‌شود. بعدا کاربران رایانه از این اصطلاح به ندرت در موقعیت مناسب استفاده کردند.

اولین معماری‌های رایانه بر روی کاغذ طراحی شده و سپس مستقیماً در فرم نهایی سخت افزار ساخته شده اند. بعدها نمونه‌های اولیه معماری رایانه به صورت فیزیکی در قالب رایانه ترانزیستور – منطق ترانزیستور (TTL) – مانند نمونه‌های اولیه 6800 و PA-RISC – ساخته و قبل از تعهد به فرم سخت افزاری نهایی، ساخته شدند. از دهه 1990 ، معماری‌های رایانه جدید معمولاً “ساخته” می‌شوند ، آزمایش می‌شوند و اصلاح می شوند (در برخی دیگر از معماری‌های رایانه در شبیه ساز معماری رایانه)؛ یا داخل یک FPGA به عنوان یک ریزپردازنده نرم؛ یا هر دو (قبل از تعهد به فرم سخت افزاری نهایی.

زیر مجموعه‌ها

رشته معماری رایانه دارای سه زیر مجموعه اصلی است:

معماری مجموعه دستورالعمل‌ها (ISA): کد ماشین را که پردازنده می‌خواند و بر اساس آن عمل می‌کند، بعلاوه اندازه کلمه، حالت آدرس دهی، ثبات و نوع داده را تعریف می‌کند.

معماری خرد : همچنین به عنوان “سازمان رایانه‌ای” شناخته می‌شود. این روش نحوه اجرای ISA توسط یک پردازنده خاص را بیان می‌کند. به عنوان مثال اندازه حافظه نهان پردازنده رایانه، مسئله‌ای است که به طور کلی هیچ ارتباطی با ISA ندارد.

طراحی سیستم‌ها : شامل سایر مولفه‌های سخت افزاری درون یک سیستم محاسباتی مانند پردازش داده غیر از CPU (به عنوان مثال دسترسی مستقیم به حافظه ) ، مجازی سازی و پردازش چندگانه

فناوری‌های دیگری نیز در معماری رایانه وجود دارد. فن آوری‌های زیر در شرکت‌های بزرگتر مانند اینتل مورد استفاده قرار می‌گیرد و در سال 2002 تخمین زده شد که 1٪ از کل معماری رایانه را شامل می‌شود:

معماری کلان : لایه‌های معماری انتزاعی‌تر از معماری خرد است.

معماری مجموعه دستورالعمل‌های اسمبلی: یک اسمبلر هوشمند ممکن است یک زبان اسمبلی انتزاعی را که برای گروهی از ماشین‌ها متداول است، برای اجراهای مختلف به زبان ماشین کمی متفاوت تبدیل کند.

معماری کلان قابل مشاهده توسط برنامه نویسان : ابزارهای زبان‌های سطح بالاتر مانند کامپایلرها ممکن است یک رابط یا قرارداد ثابت برای برنامه نویسان با استفاده از آنها تعریف کنند، تفاوت بین ISA ، UISA و ریز معماری‌های اساسی را انتزاع کنند. برای مثال، استانداردهای C ،C ++ یا Java، معماری‌های مختلف قابل مشاهده توسط برنامه نویس را تعریف می‌کنند.

میکرو کد(ریزبرنامه سازی) : میکروکد نرم افزاری است که دستورالعمل‌های کار با تراشه را ترجمه می‌کند. مانند یک پوشش در اطراف سخت افزار عمل می‌کند و نسخه مطلوبی از رابط مجموعه دستورالعمل سخت افزار را ارائه می‌دهد. این امکان ترجمه دستورالعمل‌ها، انتخاب‌های انعطاف پذیری را به طراحان تراشه می‌دهد: به عنوان مثال:

1) نسخه جدید تراشه بهبود یافته می‌تواند با استفاده از میکروکد دقیقاً همان دستورالعمل نسخه قبلی تراشه را ارائه دهد، بنابراین تمام نرم افزارهایی که این مجموعه دستورالعمل‌ها را هدف قرار می‌دهند بدون نیاز به تغییر روی تراشه جدید اجرا می‌شوند.

2) میکروکد می‌تواند مجموعه دستورالعمل‌های متنوعی را برای همان تراشه زیربنایی ارائه دهد، که به آن امکان می‌دهد تا نرم افزارهای متنوعی را اجرا کند.

: UISA دستور العمل کاربر برای مجموعه معماری، به یکی از سه زیر مجموعه دستورالعمل CPU RISC(رایانه کم دستور) ارائه شده توسط پردازنده های PowerPC RISC اشاره دارد. زیر مجموعه UISA ، دستورالعمل های RISC مورد علاقه توسعه دهندگان برنامه هستند. دو زیر مجموعه دیگر دستورالعمل‌های VEA (معماری محیط مجازی) است که توسط توسعه دهندگان سیستم مجازی سازی استفاده می‌شود و OEA (معماری محیط عملیاتی) که توسط توسعه دهندگان سیستم عامل استفاده می‌شود.

معماری پین : عملکردهای سخت افزاری که یک ریزپردازنده باید در اختیار یک پلتفرم سخت افزاری قرار دهد ، مثلاً پایه های x86 A20M ، FERR / IGNNE یا FLUSH. همچنین پیام هایی که پردازنده باید منتشر کند تا حافظه نهان خارجی آزاد شود. توابع معماری پین انعطاف پذیرتر از توابع ISA است زیرا سخت افزار خارجی می‌تواند با رمزگذاری های جدید سازگار شود یا از پین به پیام تغییر کند. اصطلاح “معماری” مناسب است ، زیرا توابع باید برای سیستم‌های سازگار ارائه شوند، حتی اگر روش دقیق تغییر کند.

نقش ها

تعریف

معماری رایانه مربوط به متعادل سازی عملکرد، کارایی، هزینه و قابلیت اطمینان یک سیستم رایانه‌ای است. مجموعه دستورالعمل‌های پیچیده‌تر، برنامه نویسان را قادر می‌سازد تا برنامه‌هایی با فضای کمتری بنویسند، زیرا یک دستورالعمل می‌تواند برخی از انتزاعات سطح بالاتر را رمزگذاری کند (مانند دستورالعمل حلقه x86). با این وجود، رمزگشایی دستورالعمل‌های طولانی‌تر و پیچیده‌تر برای پردازنده زمان بیشتری می‌برد و پیاده سازی آنها می‌تواند هزینه بیشتری داشته باشد. پیچیدگی بیشتر دستورالعمل‌های بزرگ، احتمال بیشتری برای قابل اعتماد نبودن در هنگام تعامل دستورالعمل‌ها به روش‌های غیرمنتظره ایجاد می‌کند.

این پیاده سازی شامل طراحی مدار مجتمع، بسته بندی، قدرت و خنک سازی است. بهینه سازی طراحی، نیاز به آشنایی با کامپایلرها، سیستم عامل‌ها برای طراحی منطقی، و بسته بندی دارد. [۱۰]

مجموعه دستورالعمل معماری

معماری مجموعه دستورالعمل‌ها (ISA) رابط بین نرم افزار و سخت افزار رایانه است و همچنین می‌تواند به عنوان نمای برنامه نویسان از ماشین مشاهده شود. رایانه‌ها زبان های برنامه نویسی سطح بالا مانند جاوا، C ++ یا بیشتر زبان های برنامه نویسی مورد استفاده را نمی‌فهمند. پردازنده فقط دستورالعمل‌های رمزگذاری شده را به صورت عددی، معمولاً به عنوان اعداد دودویی، می‌فهمد. ابزارهای نرم افزاری، مانند کامپایلرها، زبان‌های سطح بالا را به دستورالعمل‌هایی تبدیل می کنند که پردازنده می‌تواند آنها را درک کند.

علاوه بر دستورالعمل ها، ISA مواردی را که در دسترس یک برنامه است در رایانه تعریف می کند — به عنوان مثال، انواع داده ها، ثبات ها، حالت های آدرس دهی و حافظه. دستورالعمل ها، این موارد موجود را با فهرست های ثبات (یا نام ها) و حالت های آدرس دهی حافظه پیدا می کنند.

ISA یک رایانه معمولاً در یک کتابچه راهنمای کوچک شرح داده می‌شود که نحوه کدگذاری دستورالعمل‌ها را شرح می‌دهد. همچنین، ممکن است اسامی کوتاه (مبهم) برای دستورالعمل‌ها تعریف شود. نام‌ها را می‌توان با یک ابزار توسعه نرم افزار به نام اسمبلر تشخیص داد. اسمبلر یک برنامه رایانه‌ای است که یک فرم ISA قابل خواندن توسط انسان را به فرم قابل خواندن توسط رایانه ترجمه می‌کند. دیس اسمبلر ها نیز به طور گسترده در دسترس هستند، معمولاً در اشکال زدایی و برنامه‌های نرم افزاری، برای جداسازی و اصلاح اشکال‌ها در عملکرد در برنامه‌های باینری رایانه به کار می روند.

ISA از نظر کیفیت و کامل بودن متفاوت است. ISA خوب بین راحتی برنامه نویس (آسان بودن درک کد)، اندازه کد (مقدار کد که برای انجام یک عمل خاص مورد نیاز است)، هزینه رایانه برای تفسیر دستورالعمل‌ها (پیچیدگی بیشتر به معنی سخت افزار بیشتر برای رمزگشایی و اجرای دستورالعمل‌ها است) و سرعت رایانه (با پیچیدگی بیشتر رمزگشایی، زمان رمزگشایی سخت افزار هم بیشتر می‌شود) تعادل برقرار می‌کند. بخش حافظه نحوه تعامل دستورالعمل‌ها با حافظه و نحوه تعامل حافظه با خود را تعریف می‌کند.

انجام پایان نامه ادبیات انگلیسی

انجام پایان نامه ادبیات عرب

انجام پایان نامه ارشد ادبیات فارسی

انجام پایان نامه ارشد برق

انجام پایان نامه ارشد برق قدرت

انجام پایان نامه ارشد برق مخابرات

انجام پایان نامه ارشد برنامه ریزی شهری

انجام پایان نامه ارشد جوشکاری

انجام پایان نامه ارشد روانشناسی عمومی

انجام پایان نامه ارشد زبان

انجام پایان نامه ارشد شبکه های کامپیوتری

انجام پایان نامه ارشد صنایع