الكهروميكانيكية

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

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

الأجهزة الكهروميكانيكية هي تلك التي تجمع بين العمليات الكهربائية والميكانيكية. وبالمعنى الدقيق، يُعد المفتاح اليدوي مكونًا كهروميكانيكيًا نظرًا لأن الحركة الميكانيكية تُنتج إشارة كهربائية. مع ذلك، يُستخدم المصطلح عادةً للإشارة إلى الأجهزة التي تستخدم إشارة كهربائية لتوليد حركة ميكانيكية، أو العكس، حركة ميكانيكية لتوليد إشارة كهربائية. غالبًا ما تعتمد هذه الأجهزة على مبادئ كهرومغناطيسية، كما في المرحلات التي تسمح بتحكم جهد أو تيار كهربائي في جهد أو تيار دائرة أخرى، عادةً ما تكون معزولة، عن طريق التبديل الميكانيكي لمجموعات من نقاط التلامس، وفي الملفات اللولبية التي يُمكن من خلالها تشغيل وصلة متحركة بواسطة جهد كهربائي، كما في صمامات الملف اللولبي.

قبل تطور الإلكترونيات الحديثة، كانت الأجهزة الكهروميكانيكية تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة فرعية معقدة من الأجزاء، بما في ذلك الآلات الكاتبة الكهربائية ، وأجهزة الطباعة عن بُعد ، والساعات ، وأنظمة التلفزيون الأولية ، وأجهزة الكمبيوتر الرقمية الكهروميكانيكية المبكرة جدًا . وقد حلت الإلكترونيات ذات الحالة الصلبة محل الكهروميكانيكا في العديد من التطبيقات.

تاريخ

اخترع مايكل فاراداي أول محرك كهربائي عام 1822. وقد طُوّر هذا المحرك بعد عام واحد فقط من اكتشاف هانز كريستيان أورستد أن تدفق التيار الكهربائي يُولّد مجالًا مغناطيسيًا متناسبًا معه. [ 5 ] كان هذا المحرك البدائي عبارة عن سلك مغمور جزئيًا في كوب من الزئبق، مع وجود مغناطيس في قاعه. عند توصيل السلك ببطارية، يتولد مجال مغناطيسي، ويتسبب هذا التفاعل مع المجال المغناطيسي المنبعث من المغناطيس في دوران السلك.

بعد عشر سنوات، اخترع مايكل فاراداي أول مولد كهربائي. يتكون هذا المولد من مغناطيس يمر عبر ملف سلكي، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي يُقاس بواسطة جلفانومتر. تُعد أبحاث فاراداي وتجاربه في مجال الكهرباء أساسًا لمعظم المبادئ الكهروميكانيكية الحديثة المعروفة اليوم. [ 6 ]

ازداد الاهتمام بالكهروميكانيكا مع ازدياد الأبحاث في مجال الاتصالات بعيدة المدى. وأدى التوسع السريع في الإنتاج خلال الثورة الصناعية إلى زيادة الطلب على الاتصالات داخل القارات، مما سمح للكهروميكانيكا بالدخول إلى الخدمات العامة. نشأت المرحلات مع التلغراف ، حيث استُخدمت الأجهزة الكهروميكانيكية لإعادة توليد إشارات التلغراف. شاع استخدام مفتاح ستروجر ومفتاح اللوحة وأجهزة مماثلة في مقاسم الهاتف الآلية المبكرة . تم تركيب مفاتيح التقاطع على نطاق واسع لأول مرة في منتصف القرن العشرين في السويد والولايات المتحدة وكندا وبريطانيا العظمى ، وسرعان ما انتشرت إلى بقية أنحاء العالم.

شهدت الأنظمة الكهروميكانيكية قفزة نوعية هائلة بين عامي 1910 و1945، بالتزامن مع دخول العالم في حربين عالميتين. ففي الحرب العالمية الأولى، انتشرت الأجهزة الكهروميكانيكية الجديدة على نطاق واسع، حيث استخدمت جميع الدول الأضواء الكاشفة وأجهزة الراديو. [ 7 ] وبحلول الحرب العالمية الثانية ، طورت الدول جيوشها وركزت جهودها على تعدد استخدامات وقوة هذه الأجهزة. ومن الأمثلة على ذلك المولد الكهربائي الذي لا يزال يُستخدم حتى اليوم ، والذي صُمم في الأصل لتشغيل المعدات العسكرية في خمسينيات القرن الماضي، ثم أُعيد استخدامه لاحقًا في السيارات في ستينيات القرن نفسه. وقد استفادت أمريكا ما بعد الحرب بشكل كبير من تطوير الجيش للأجهزة الكهروميكانيكية، حيث حلت الأنظمة الكهروميكانيكية، مثل أفران الميكروويف والثلاجات والغسالات، محل الأعمال المنزلية بسرعة. أما أنظمة التلفزيون الكهروميكانيكية التي ظهرت في أواخر القرن التاسع عشر، فقد حققت نجاحًا أقل.

تطورت الآلات الكاتبة الكهربائية ، حتى ثمانينيات القرن العشرين، تحت مسمى "الآلات الكاتبة المساعدة بالطاقة". احتوت هذه الآلات على مكون كهربائي واحد، وهو المحرك. فبدلاً من أن تحرك ضغطة المفتاح ذراع الكتابة مباشرةً، أصبحت الآن تُفعّل وصلات ميكانيكية تنقل الطاقة الميكانيكية من المحرك إلى ذراع الكتابة. وينطبق هذا أيضاً على آلة IBM Selectric اللاحقة . في مختبرات بيل ، عام 1946، طُوّر حاسوب بيل موديل V. كان جهازاً كهروميكانيكياً يعتمد على المرحلات؛ وكانت دوراته تستغرق ثوانٍ. في عام 1968، كانت الأنظمة الكهروميكانيكية لا تزال قيد الدراسة الجادة لحاسوب التحكم في طيران الطائرات ، إلى أن تم اعتماد جهاز يعتمد على إلكترونيات التكامل واسع النطاق في حاسوب بيانات الطيران المركزي .

الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)

تعود جذور الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) إلى ثورة السيليكون ، التي يمكن تتبعها إلى اختراعين هامين لأشباه موصلات السيليكون من عام 1959: شريحة الدائرة المتكاملة المتجانسة (IC) التي ابتكرها روبرت نويس في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ، وترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET) الذي تم اختراعه في مختبرات بيل بين عامي 1955 و1960، بعد أن اكتشف فروتش وديريك التخميل السطحي باستخدام ثاني أكسيد السيليكون واستخدماه لإنشاء أول ترانزستورات مستوية، وهي الأولى التي يكون فيها المصرف والمصدر متجاورين على نفس السطح. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] وقد أدى تصغير حجم ترانزستورات MOSFET على شرائح الدوائر المتكاملة إلى تصغير حجم الإلكترونيات ( كما تنبأت به قوانين مور ودينارد ). أرسى هذا الأساس لتصغير الأنظمة الميكانيكية، مع تطوير تقنية التصنيع الدقيق القائمة على أجهزة أشباه الموصلات السيليكونية ، حيث بدأ المهندسون يدركون أن رقائق السيليكون وموسفتات قادرة على التفاعل والتواصل مع البيئة المحيطة ومعالجة مواد مثل المواد الكيميائية والحركة والضوء . وقد قامت شركة هانيويل بتصنيع أحد أوائل مستشعرات الضغط السيليكونية بتقنية التصنيع الدقيق المتساوي الخواص في عام 1962. [ 13 ]

من الأمثلة المبكرة على أجهزة الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) ترانزستور البوابة الرنانة، وهو نسخة معدلة من ترانزستور MOSFET، طوره هارفي سي. ناثانسون عام 1965. [ 14 ] خلال سبعينيات القرن العشرين وحتى أوائل ثمانينياته، طُوِّر عدد من المجسات الدقيقة التي تعمل بتقنية MOSFET لقياس المعايير الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والبيئية . [ 15 ] وفي مطلع القرن الحادي والعشرين، أُجريت أبحاث على الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية ( NEMS).

الممارسة الحديثة

تُستخدم العمليات الكهروميكانيكية اليوم بشكل رئيسي من قبل شركات الطاقة. تقوم جميع المولدات التي تعمل بالوقود بتحويل الحركة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. كما تُشغَّل بعض مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية، بواسطة أنظمة ميكانيكية تقوم بدورها بتحويل الحركة إلى كهرباء.

في العقود الثلاثة الأخيرة من القرن العشرين، انخفضت تكلفة المعدات التي كانت تعتمد في السابق على الأجهزة الكهروميكانيكية. ويعود هذا الانخفاض إلى استخدام دوائر تحكم دقيقة متكاملة وموثوقة ، تحتوي في نهاية المطاف على ملايين الترانزستورات، وبرنامج لتنفيذ المهمة نفسها منطقيًا. أما المكونات الكهروميكانيكية، فكانت تقتصر على الأجزاء المتحركة، مثل المشغلات الكهربائية الميكانيكية . وقد حلّ هذا المنطق الأكثر موثوقية محل معظم الأجهزة الكهروميكانيكية، لأن أي نقطة في النظام تعتمد على الحركة الميكانيكية للتشغيل السليم ستتعرض حتمًا للتآكل الميكانيكي وتتعطل في نهاية المطاف. أما الدوائر الإلكترونية المصممة جيدًا والخالية من الأجزاء المتحركة، فتستمر في العمل بكفاءة لفترة طويلة جدًا، وتُستخدم في معظم أنظمة التحكم البسيطة ذات التغذية الراجعة. وتظهر هذه الدوائر في العديد من المنتجات، بدءًا من إشارات المرور وصولًا إلى الغسالات .

من الأجهزة الكهروميكانيكية الأخرى الأجهزة الكهروإجهادية ، لكنها لا تستخدم المبادئ الكهرومغناطيسية. تستطيع هذه الأجهزة توليد الصوت أو الاهتزاز من إشارة كهربائية، أو توليد إشارة كهربائية من الصوت أو الاهتزاز الميكانيكي.

للحصول على شهادة مهندس كهروميكانيكي، تشمل المقررات الجامعية عادةً الرياضيات والهندسة وعلوم الحاسوب وتصميم الآلات، بالإضافة إلى مقررات أخرى في مجال السيارات تُسهم في اكتساب مهارات تشخيص الأعطال وتحليل المشكلات التي قد تطرأ على الآلات. ويشترط الحصول على درجة البكالوريوس في الهندسة الكهربائية أو الميكانيكية أو الكهروميكانيكية. وحتى أبريل 2018، كانت جامعتان فقط، هما جامعة ميشيغان التقنية ومعهد وينتورث للتكنولوجيا ، تُقدمان تخصص الهندسة الكهروميكانيكية . أما لدخول مجال الهندسة الكهروميكانيكية كفني مبتدئ، فيكفي الحصول على شهادة دبلوم.

في عام 2016، بلغ عدد العاملين كفنيي الإلكترونيات والميكانيكا في الولايات المتحدة حوالي 13,800 شخص. وتشير التوقعات إلى نمو بنسبة 4% في فرص العمل للفنيين خلال الفترة من 2016 إلى 2026، أي ما يعادل زيادة في عدد الوظائف بمقدار 500 وظيفة تقريبًا. وتُعد هذه النسبة أبطأ من المتوسط. [ 16 ]

انظر أيضاً

مراجع

الاقتباسات
  1. ↑ دورة في الكهروميكانيكا ، لطلاب الهندسة الكهربائية، الفصل الدراسي الأول من السنة الثالثة، جامعة كولومبيا، مقتبس من كتاب البروفيسور إف إي نيفر "الكهرباء والمغناطيسية". بقلم فيتزهيو تاونسند. 1901.
  2. ↑ Szolc, T.; Konowrocki, Robert; Michajłow, M.; Pregowska, A. (2014). "دراسة تأثيرات الاقتران الكهروميكانيكي الديناميكي في أنظمة محركات الآلات التي تعمل بمحركات غير متزامنة". أنظمة ميكانيكية ومعالجة الإشارات . 49 ( 1-2 ). أنظمة ميكانيكية ومعالجة الإشارات، المجلد 49، الصفحات 118-134: 118-134 . Bibcode : 2014MSSP...49..118S . doi : 10.1016/j.ymssp.2014.04.004 .
  3. ↑ عناصر الكهرباء ، "الجزء الخامس: الكهروميكانيكا ". بقلم ويرت روبنسون. جون وايلي وأولاده، 1922.
  4. ↑ كونوروكي، روبرت؛ زولك، ت.؛ بوتشانكي، أ.؛ بريغوفسكا، أ. (2016). "تأثير التحكم في المحرك الخطوي ونماذج الاحتكاك على تحديد المواقع بدقة للنظام الميكانيكي المعقد". أنظمة ميكانيكية ومعالجة الإشارات . 70-71 . أنظمة ميكانيكية ومعالجة الإشارات، المجلد 70-71، الصفحات 397-413: 397-413 . Bibcode : 2016MSSP...70..397K . doi : 10.1016/j.ymssp.2015.09.030 . ISSN 0888-3270 . 
  5. ↑ "جهاز الدوران الكهرومغناطيسي لمايكل فاراداي (المحرك)" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-04-2018 .
  6. ↑ "مولد مايكل فاراداي" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أبريل 2018 .
  7. ↑ "الحرب العالمية الأولى: التكنولوجيا وأسلحة الحرب | موسوعة كارولاينا الشمالية" . www.ncpedia.org . تاريخ الاسترجاع: 22 أبريل 2018 .
  8. ↑ US2802760A ، لينكولن، ديريك وفروش ، كارل جيه، "أكسدة الأسطح شبه الموصلة من أجل الانتشار المتحكم فيه"، صدر في 13 أغسطس 1957 
  9. ↑ فروتش، سي جيه؛ ديريك، إل (1957). "حماية السطح والتغطية الانتقائية أثناء الانتشار في السيليكون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  10. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ برلين هايدلبرغ. ص 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  11. ↑ 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 .
  12. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص 120. ISBN  9783540342588.
  13. ↑ راي-تشودري، ب. (2000). تقنية وتطبيقات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الضوئية (MOEMS) . مطبعة SPIE . الصفحات 9، 3. ISBN  9780819437167.
  14. ↑ ناثانسون إتش سي، ويكستروم آر إيه (1965). "ترانزستور سطحي من السيليكون ذو بوابة رنانة وخصائص تمرير نطاق عالية الجودة". رسائل الفيزياء التطبيقية 7 (4): 84-86 . Bibcode : 1965ApPhL...7...84N . doi : 10.1063/1.1754323 .
  15. ↑ بيرغفيلد، بيت (أكتوبر 1985). "تأثير أجهزة الاستشعار القائمة على ترانزستورات MOSFET" (ملف PDF) . أجهزة الاستشعار والمحركات . 8 (2): 109-127 . Bibcode : 1985SeAc....8..109B . doi : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN 0250-6874 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 26 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 أكتوبر 2019 . 
  16. ↑ مكتب إحصاءات العمل، وزارة العمل الأمريكية، دليل التوقعات المهنية، فنيو الكهروميكانيكا، على الإنترنت على الرابط http://www.bls.gov/ooh/architecture-and-engineering/electro-mechanical-technicians.htm (تمت زيارته في 13 أبريل 2018).
مصادر
  • دافيم، ج. باولو، محرر (2011) الميكاترونيات ، جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 978-1-84821-308-1.
  • فورلاني، إدوارد ب. (15 أغسطس 2001). المغناطيس الدائم والأجهزة الكهروميكانيكية: المواد والتحليل والتطبيقات . سلسلة أكاديميك برس في الكهرومغناطيسية. سان دييغو: أكاديميك برس . ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC 47726317 . 
  • كراوس، بول سي؛ واسينكزوك، أوليغ (1989). أجهزة الحركة الكهروميكانيكية . سلسلة ماكجرو هيل في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب. نيويورك: ماكجرو هيل . ISBN 978-0-07-035494-4. OCLC 18224514 . 
  • Szolc T., Konowrocki R., Michajlow M., Pregowska A., دراسة تأثيرات الاقتران الكهروميكانيكي الديناميكي في أنظمة محركات الآلات التي تعمل بمحركات غير متزامنة، الأنظمة الميكانيكية ومعالجة الإشارات، ISSN 0888-3270 ، المجلد 49، الصفحات 118-134، 2014  
  • "الحرب العالمية الأولى: التكنولوجيا وأسلحة الحرب | موسوعة كارولاينا الشمالية". www.ncpedia.org . تاريخ الوصول: ٢٢ أبريل ٢٠١٨.

للمزيد من القراءة

  • مدخل إلى الكهروميكانيكا. بقلم هيو هيلدريث سكيلينج. وايلي، 1960.
  • الكهروميكانيكا: مدخل إلى تحويل الطاقة الكهروميكانيكية، المجلد الأول. بقلم هيو هيلدريث سكيلينج. دار نشر آر إي كريجر، 1 يناير 1979.
  • الكهروميكانيكا والآلات الكهربائية. بقلم جيه إف ليندسي، إم إتش رشيد. برنتيس هول، 1986.
  • أجهزة الحركة الكهروميكانيكية. بقلم هاي دونغ تشاي. برنتيس هول بي تي آر، 1998.
  • الميكاترونيات: الكهروميكانيكا والتحكم الميكانيكي. بقلم ديني ك. ميو. سبرينغر لندن المحدودة، 2011.