الدائرة المجردة..بقلم:أ.عبد ربه عاشور

قوة الاختزال
الهندسة هي الاستخدام الهادف للعلم. يوفر العلم فهماً للظواهر الطبيعية. تتضمن الدراسة العلمية التجربة، والقوانين العلمية عبارة عن بيانات موجزة أو معادلات تشرح البيانات التجريبية. يمكن النظر إلى قوانين الفيزياء على أنها طبقة من التجريد بين البيانات التجريبية والممارسين الذين يرغبون في استخدام ظواهر معينة لتحقيق أهدافهم، دون الحاجة إلى القلق بشأن تفاصيل التجارب والبيانات التي ألهمت القوانين. يتم إنشاء التجريدات مع وضع مجموعة معينة من الأهداف في الاعتبار، ويتم تطبيقها عند تلبية القيود المناسبة. على سبيل المثال، قوانين نيوتن للحركة عبارة عن عبارات بسيطة تربط ديناميكيات الأجسام الجامدة بكتلها وقواها الخارجية. تنطبق في ظل قيود معينة، على سبيل المثال، عندما تكون السرعات أصغر بكثير من سرعة الضوء. التجريدات العلمية، أو القوانين مثل قوانين نيوتن، بسيطة وسهلة الاستخدام، وتمكننا من تسخير واستخدام خصائص الطبيعة.
الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر، أو الهندسة الكهربائية باختصار، هي واحدة من العديد من التخصصات الهندسية. الهندسة الكهربائية هي الاستخدام الهادف لمعادلات (أو التجريدات) للظواهر الكهرومغناطيسية. لتسهيل استخدامنا للظواهر الكهرومغناطيسية، تخلق الهندسة الكهربائية طبقة تجريد جديدة أعلى معادلات ماكسويل تسمى تجريد الدائرة المجمعة. من خلال معالجة طبقة تجريد الدوائر المجمعة، يقدم هذا الكتاب العلاقة بين الفيزياء والهندسة الكهربائية. إنه يوحد الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر كفن لإنشاء واستغلال التجريدات المتعاقبة لإدارة تعقيد بناء أنظمة كهربائية مفيدة. أنظمة الكمبيوتر هي ببساطة نوع واحد من الأنظمة الكهربائية.
آلية التجريد قوية للغاية لأنها يمكن أن تجعل مهمة بناء أنظمة معقدة قابلة للتتبع. كمثال، ضع في اعتبارك القوة
معادلة:
F = ma. (1.1)
تمكننا معادلة القوة من حساب تسارع جسيم بكتلة معينة للقوة المطبقة. يسمح لنا هذا التجريد البسيط للقوة بتجاهل العديد من خصائص الأشياء مثل حجمها وشكلها وكثافتها ودرجة حرارتها، وهي غير مهمة لحساب تسارع الجسم. كما يسمح لنا بتجاهل التفاصيل التي لا تعد ولا تحصى للتجارب والملاحظات التي أدت إلى معادلة القوة، وقبولها كمعطى. وبالتالي، تسمح لنا القوانين العلمية والتجريدية بالاستفادة من الخبرة والعمل الماضية والبناء عليها. (بدون تجريد القوة، ضع في اعتبارك الألم الذي يجب أن نمر به لإجراء التجارب لتحقيق نفس النتيجة).
على مدى القرن الماضي، طورت الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر مجموعة من الأفكار التجريدية التي تمكننا من الانتقال من العلوم الفيزيائية إلى الهندسة وبالتالي بناء أنظمة مفيدة ومعقدة.
غالبًا ما يتم اشتقاق مجموعة الأفكار المجردة التي تنتقل من العلوم إلى الهندسة وتعزل المهندس عن التفاصيل العلمية من خلال نظام التقديرية. يشار إلى التحفظ أيضًا باسم التجميع. الانضباط هو قيد فرضه على الذات. ينص نظام التمييز على أننا نختار التعامل مع العناصر أو النطاقات المنفصلة وإسناد قيمة واحدة لكل عنصر أو نطاق منفصل. وبالتالي، فإن الانضباط التقديري يتطلب منا تجاهل توزيع القيم داخل عنصر منفصل. بالطبع، يتطلب هذا التخصص أن تعمل الأنظمة المبنية على هذا المبدأ ضمن قيود مناسبة بحيث تظل افتراضات القيمة الواحدة ثابتة. كما سنرى بعد قليل، فإن تجريد الدائرة المجمعة الذي يعد أساسيًا للهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر يعتمد على تجميع المادة أو تحديدها. تستخدم الأنظمة الرقمية التجريد الرقمي، الذي يعتمد على قيم الإشارة التقديرية. تعتمد الأنظمة الرقمية التي تعمل بساعة على تقدير كل من الإشارات والوقت، وتستند المصفوفات الانقباضية الرقمية إلى تحديد الإشارات والوقت والمكان.
بناءً على مجموعة التجريدات التي تحدد الانتقال من الفيزياء إلى الهندسة الكهربائية، تخلق الهندسة الكهربائية مزيدًا من التجريدات لإدارة تعقيد بناء الأنظمة الكبيرة. غالبًا ما يستخدم عنصر الدائرة المجمعة كتمثيل مجرد أو نموذج لقطعة من مادة ذات سلوك داخلي معقد. وبالمثل، غالبًا ما تعمل الدائرة كتمثيل مجرد لظواهر فيزيائية مترابطة. مكبر الصوت التشغيلي المكون من عناصر منفصلة بدائية هو تجريد قوي يبسط بناء أنظمة تناظرية أكبر. البوابة المنطقية، والذاكرة الرقمية، وآلة الحالة المحدودة الرقمية، والمعالج الدقيق هي نفسها سلسلة من الأفكار التجريدية التي تم تطويرها لتسهيل بناء أنظمة الكمبيوتر والتحكم المعقدة. وبالمثل، فإن فن برمجة الكمبيوتر ينطوي على التمكن من إنشاء تجريدات ذات مستوى أعلى متتالية من بدائيين من المستوى الأدنى