חשמל הוא קבוצה של תופעות פיזיקליות הקשורות לנוכחות ולתנועה של מטען חשמלי. נוכחות של מטען חשמלי, אשר יכול להיות חיובי או שלילי, מייצרת שדה חשמלי. כל חלקיק טעון חשמלית יכול לגרום לתופעות חשמליות, אך בטבע רוב התופעות החשמליות נובעות מהמטען החשמלי של אלקטרונים ופרוטונים בלבד.

התנועה של מטענים חשמליים היא זרם חשמלי ומייצרת שדה מגנטי. תופעות החשמל והמגנטיות קשורות זו בזו, ויחדיו נחשבות לכוח יסודי בטבע, כלומר כוח שלא ניתן לתאר אותו כתוצאה של כוחות אחרים, וקרוי הכוח האלקטרומגנטי.

תופעות טבע רבות קשורות בחשמל, כגון ברקים, חשמל סטטי, ועוד. התכונות הבסיסיות של החשמל הפכו אותו להיות צורת האנרגיה הזמינה ביותר לשימוש כיום. התפתח סביבו משק חשמל, נוצרו מכשירים חשמליים רבים, לצרכים ביתיים ותעשייתיים, התפתח ממנו תחום הנדסת החשמל עבור מערכות מורכבות כמו שבבים ורשתות תקשורת, והוא הבסיס החומרתי למחשב על כל שימושיו המודרניים. ברוב העולם חשמל נחשב מוצר צריכה בסיסי.

לחומרים שונים תכונות חשמליות שונות, בשל אופן חלוקת ופיזור האלקטרונים בתוכם. ישנם חומרים, מתכות בעיקר, המכילים אלקטרונים חופשיים – אלקטרונים שאינם בקשר הדוק לאטומים – שמאפשרים תנועה של האלקטרונים בתוכם, תופעה הקרויה זרם חשמלי. חומרים כאלו מכונים מוליכים, על שם יכולתם להוליך חשמל.

חומרים אחרים יכולים לצבור עודף או חוסר של אלקטרונים, אך מגלים התנגדות לזרימה חופשית של אלקטרונים, והם קרויים חומרים מבודדים. כך ניתן לראות בחוטי החשמל בבתים חומר מוליך – על פי רוב נחושת – העטוף בפלסטיק מבודד, על מנת למנוע זליגה מסוכנת של אלקטרונים מהחוט.

במצבו הבסיסי אטום מאוזן בין מטען חיובי לשלילי, אך בחומרים מבודדים ניתן להחסיר או להוסיף אלקטרונים. בשני המקרים נבנה עודף של מטען, שלילי בהוספת אלקטרונים, וחיובי בהסרתם. בשל כוחות הדחייה והמשיכה, עודף זה שואף למצב של איזון: אם נצמיד חומר המכיל עודף לחומר בו קיים חוסר ינועו האלקטרונים מהעודף לחוסר, כלומר ייווצר זרם חשמל. גם אם נחבר חומר מוליך בין עודף לחוסר תיווצר תנועה זו. כך מתחולל זרם חשמלי במוליך.

את שני סוגי המטען החשמלי מסמנים למשל על סוללות, שבקצה אחד יש כמות גדולה יותר של אלקטרונים והוא מסומן במינוס (-) והקצה הנגדי, בו ישנו מספר קטן יותר של אלקטרונים מסומן בפלוס (+). מטענם של האלקטרונים מוגדר כשלילי, ובלב גרעין האטום קיימים פרוטונים, שמטענם מוגדר כחיובי. להבדיל מהאלקטרונים, בלב האטום פועל כוח נוסף, הכוח החזק, שכובל את גרעין האטום ומונע לרוב מהפרוטונים לנוע כמו האלקטרונים.

כבר מימי קדם זיהו בטבע תופעות שונות של חשמל ושל מגנטיות, אך הקשר בין חשמל ומגנטיות לא היה ידוע, מושג המטען החשמלי טרם הוכר וכלל לא הובנה המשמעות המקיפה של האינטראקציה בין המטענים.

כוחות המשיכה והדחייה של החשמל מוכרים כבר מימי קדם ואף ייתכן שהפרתים או אולי הסאסאנים ייצרו מעיין סוללות פרימיטיביות – התגלו שרידים של כדים המכילים מוטות ברזל ונחושת שהופרדו בזפת, שהיא חומר מבודד. כל שנדרש להפוך כדים אלה לסוללה הוא נוזל כגון מיץ לימון, ובניסוי הוכח שעוצמת כמה סוללות פרימיטיביות כאלו המחוברות יחדיו די בה לגרום לשוק חשמלי מורגש היטב. ייתכן שהשימוש בהן היה למטרת הפגנת מעין כוח קסם, אך קיימות תאוריות אחרות שמדובר בכדים לאחסון טקסטים קדושים. אם אכן היה מדובר בסוללות, תגלית זו נשכחה ואבדה.

לעומת זאת תועד היטב שליוונים הקדמונים היה ידוע שלאחר שפשוף נמרץ למשך כחצי דקה של ענבר עם פרווה פיסות הענבר יידחו זו מזו, אך תידבקנה לפרווה. התופעה מובנת כיום כמשיכה של הענבר שממנו נקרעו אלקטרונים בשל השפשוף אל פרווה בה הצטברו אלקטרונים בתהליך השפשוף, ומנגד דחייה בין פיסות הענבר שמטענן הכולל חיובי בשל קריעת האלקטרונים.

עד המאה ה-17 זוהו חומרים רבים נוספים ששפשוף ביניהם גורם לכוחות כאלו, וניתן היה לסדר את החומרים במדרג מסודר לפי מידת כוח הדחייה שייווצר בשפשוף פיסות החומר מול חומר הממוקם רחוק מהם באותו מידרג. רשימת החומרים הלכה והתרחבה וכללה למשל זכוכית, גופרית ואפילו מוצק שייצרו מחלב.

במאה ה-18 חקר תופעת החשמל צבר תאוצה. התגלה שאם לוקחים חומרים רחוקים מאוד ביניהם במדרג ומשפשפים אותם בחומר שנמצא בלב המדרג ייווצר ניצוץ כשמקרבים אותם אחד לשני. עקב תגליות אלה בנג'מין פרנקלין תיאר את החשמל כמעין נוזל בלתי נראה שממלא גופים, כך שאם בגוף מסוים יש עודף של הנוזל החשמלי הוא טעון במטען חיובי ואם יש בו מחסור בנוזל החשמלי הוא טעון בסימן שלילי. פרנקלין קבע כי בשפשוף זכוכית בפרווה, אותו "נוזל חשמלי" עובר מהפרווה לזכוכית ולכן היא נטענת במטען חיובי. הוא הגיע למסקנה שהכוחות החשמליים גדלים ככל שהגופים טעונים יותר וכן ככל שהגופים קרובים זה לזה, וכך התגלתה תכונה יסודית נוספת של הכוח החשמלי – הוא פועל ביחס הפוך למרחק.

פרנקלין המשיך בניסוייו, ונטל על עצמו סיכון גדול בבואו להוכיח שהברק הוא התגלמות רבת עוצמה של ניצוץ חשמלי. הוא העיף עפיפון הקשור בחוט מתכת בעיצומה של סופת ברקים, ושמח לגלות שאכן קיבל מכת חשמל בעת שהבריק ברק, וכך הוכיח את ההשערה שלו.

בתחילת המאה ה-19, במהלך הרצאה שגרתית על חשמל באוניברסיטה, שם לב הנס כריסטיאן ארסטד כי בעת שמנתקים ומחברים זרם חשמל ליד מצפן מחט המצפן סוטה לרגע. בכך התגלה שיש קשר הדוק בין תופעת החשמל ותופעת המגנטיות. מאוחר יותר ניסח הפיזיקאי הדגול מקסוול מערכת של ארבע משוואות, שתיארה במדויק כיצד הכוח החשמלי והמגנטי שלובים זה בזה ולמעשה מדובר בכוח יחיד.

בתקופה זו גם התגלה בניסויים שמעין קרן אור בצבע מוזר נוצרת בשפופרת זכוכית ריקה מאוויר, שבקצותיה היו מחטי מתכת המחוברות למקור חשמל. תגלית זו הובילה לשלל ניסויים במתקן החדש, שכונה שפופרת קרן קתודית. מחקר זה הוביל בתחילת המאה ה-20 לפיתוחן של שפופרות הריק, שאפשרו שליטה רבה על זרם החשמל. השפופרות הבסיסיות היו הדיודה – שהעבירה זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד, והטריודה שמאפשרת לשלוט בזרם רב עוצמה על ידי זרם חשמלי חלש, כמעין ברז שפתיחתו וסגירתו מאפשרת שליטה בזרם. שפופרות הריק פתחו את עידן האלקטרוניקה על שלל שימושיה.

ערך מורחב – חשמל (ספר יחזקאל)

המילה חשמל מופיעה שלוש פעמים בתנ"ך, כולן בספר יחזקאל בקשר להתגלותו של אלוהים ומלאכיו, עם מראה של אש ואור:

• ”וָאֵרֶא וְהִנֵּה רוּחַ סְעָרָה בָּאָה מִן הַצָּפוֹן, עָנָן גָּדוֹל וְאֵשׁ מִתְלַקַּחַת וְנֹגַהּ לוֹ סָבִיב וּמִתּוֹכָהּ כְּעֵין הַחַשְׁמַל מִתּוֹךְ הָאֵשׁ.” (יחזקאל א', ד')
• ”וָאֵרֶא כְּעֵין חַשְׁמַל, כְּמַרְאֵה אֵשׁ בֵּית לָהּ סָבִיב מִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמָעְלָה, וּמִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמַטָּה רָאִיתִי כְּמַרְאֵה אֵשׁ וְנֹגַהּ לוֹ סָבִיב.” (יחזקאל א', כ"ז)
• ”וָאֶרְאֶה וְהִנֵּה דְמוּת כְּמַרְאֵה אֵשׁ, מִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמַטָּה אֵשׁ, וּמִמָּתְנָיו וּלְמַעְלָה כְּמַרְאֵה זֹהַר כְּעֵין הַחַשְׁמַלָה.” (יחזקאל ח', ב')

ויליאם גילברט טבע את המילה הלטינית "אלקטריקוס" מהמילה היוונית "אלקטרון" שמשמעותה ענבר, לתיאור תופעת המשיכה של גופים קטנים לאחר שפשופם. לאור העובדה שבתרגום השבעים תורגמה המילה "חשמל" במילה היוונית "אלקטרון", חידש יהודה לייב גורדון את המילה "חשמל" בעברית כתרגום לאותו מושג בלטינית,^[1] אף שמשמעותו המדויקת השתנתה מאז ימיו של גילברט.

ערך מורחב – מטען חשמלי

מטען חשמלי הוא גודל פיזיקלי שמאפיין חומר. במצב רגיל, המטען החשמלי הכולל של החומר הוא נייטרלי (אפס), אם כי בתוך החומר נמצא מספר רב מאוד של חלקיקים בעלי מטען חשמלי, חיובי ושלילי, אשר מאזנים זה את זה. החומר מורכב מאטומים, הבנויים מגרעין המכיל פרוטונים טעונים חיובית, ונייטרונים חסרי מטען, וסביב הגרעין אלקטרונים שטעונים שלילית. מטען האלקטרון הפוך בסימן אך זהה בגודל למטען הפרוטון, ומספר האלקטרונים במצב רגיל שווה למספר הפרוטונים כך שסכום המטענים הוא אפס.

המטען החשמלי נמדד במערכת היחידות הבין-לאומית (SI) בקולון, על שם שארל-אוגוסטן דה קולון. מטען האלקטרון הוא ‎-1.6×10^-19‎ קולון, ומטען הפרוטון הוא ‎+1.6×10^-19‎ קולון.

ערך מורחב – זרם חשמלי

בעת חיבור מוליך לשתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי, למשל חיבור תיל מוליך בין שני מוליכים טעונים בעלי פוטנציאלים שונים, יזרמו בתיל המוליך מטענים מהגוף בעל הפוטנציאל הגדול יותר לגוף בעל הפוטנציאל הקטן יותר, עד שהפוטנציאלים בשני הגופים ישתוו. קצב תנועת המטענים בזמן נקרא זרם חשמלי, ובמקרה המתואר לעיל הוא יתרחש לזמן קצר. על מנת ליצור זרם חשמלי לאורך זמן יש צורך בכוח אלקטרו מניע – גורם שישמור על מתח קבוע בין שתי נקודות. הכוח האלקטרו מניע (בקיצור: כא"מ) הוא העבודה החיצונית שיש להשקיע על יחידת מטען על מנת ליצור הפרש פוטנציאלים בין שני הדקים מנותקים. בסוללה חשמלית, למשל, הכא"מ נוצר על ידי הפרדת מטענים חיוביים משליליים באמצעות תגובה כימית עם אלקטרודות אליהן מחוברים ההדקים. התקן שיוצר כא"מ בין שני הדקים נקרא מקור מתח. ההדק שבו הפוטנציאל גדול יותר מסומן ב־+ והאחר מסומן ב־-. הארקה היא חיבור לאדמה, והיא משמשת הן כנקודת ייחוס לפוטנציאל החשמלי והן כאמצעי להגנה מפני הצטברות מטען גדולה מדי.

זרם חשמלי הוא גודל המטען העובר בשטח חתך (או בתיל) ביחידת זמן. כיוון הזרם במוליך הוא מפוטנציאל גבוה לפוטנציאל נמוך (למשל, מפוטנציאל חיובי לפוטנציאל שלילי).^[2] מהגדרה זו של הזרם, נובע שכיוון הזרם יהיה תמיד בכיוון שבו היו נעים מטענים חיוביים, ולכן כיוון הזרם במתכת יהיה הפוך לזה של תנועת האלקטרונים. זרם שגודלו קבוע בזמן נקרא זרם ישר וזרם שמשתנה בזמן באופן מחזורי נקרא זרם חילופין. נוהגים לסמן את הזרם באות I והוא נמדד במערכת היחידות הבין-לאומית ביחידות של אמפר (על שם אנדרה מרי אמפר).

ניתן לתאר את תנועת המטענים במרחב גם בדרך מעט שונה: לכל נקודה במרחב מיוחס וקטור צפיפות זרם המוגדר כמכפלת צפיפות המטען בנקודה במהירותו. כיוון שבתורה הקלאסית מטען אינו יכול להיעלם במקום אחד ולהופיע במקום אחר, צפיפות המטען מקיימת משוואת רציפות כך שצפיפות הזרם היא השטף של צפיפות המטען.

ערך מורחב – שדה חשמלי

נוח להגדיר שדה חשמלי ככוח חשמלי ליחידת מטען ולתאר את חוקי החשמל בעזרת השדה כתכונה של המרחב, שאותו מקובל לסמן באות E. באופן דומה מגדירים שדה מגנטי, שאותו נהוג לסמן באות B. הכוח הפועל על מטען חשמלי בנוכחות שדה חשמלי ושדה מגנטי נקרא כוח לורנץ והוא אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע.

עקרון הסופרפוזיציה קובע שהשדה שיוצרים מספר מטענים הוא סכום השדות שיוצרים כל המטענים לחוד. במרחב התלת־ממדי זהו סכום וקטורי. חוק גאוס הוא משוואה דיפרנציאלית חלקית שממנה ניתן לחשב את השדה החשמלי שיוצרת התפלגות מטען מרחבית כלשהי. עקרון הסופרפוזיציה נובע מכך שהיא משוואה ליניארית.

ערך מורחב – מתח חשמלי

הכוח האלקטרוסטטי הוא כוח משמר ולכן ניתן לגזור אותו מאנרגיה פוטנציאלית, הנקראת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען בנקודה כלשהי היא העבודה שיש להשקיע עליו על מנת להביאו מנקודת ייחוס אל הנקודה, כאשר נקודת הייחוס לרוב נבחרת במרחק אינסופי מיתר המטענים. באופן שקול, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בנקודה היא הכוח החשמלי הפועל על מטען לאורך דרכו מהנקודה אל האינסוף. מקובל לסמן את האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית באות U, ובמערכת היחידות הבין-לאומית, היא נמדדת – בדומה לצורות אחרות של אנרגיה – ביחידות של ג'אול.

האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען פרופורציונית לגודל המטען, ולכן ניתן להגדיר פוטנציאל חשמלי כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען. ניתן לגזור את השדה החשמלי ישירות מהפוטנציאל החשמלי באותו האופן שבו הכוח נגזר מהאנרגיה הפוטנציאלית. מקובל לסמן את הפוטנציאל החשמלי במרחב באות היוונית φ, והוא תלוי רק בפילוג המטענים המרחבי. תלות זו מתבטאת במשוואת פואסון – המצטמצמת למשוואת לפלס, כאשר המרחב ריק ממטענים.

מתח חשמלי בין שתי נקודות במרחב הוא ההפרש בין הפוטנציאלים החשמליים באותן נקודות. הוא מבטא את ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית ליחידת מטען, ולכן הוא גודל חשוב בתיאור מערכות חשמליות. מקובל לסמן את המתח באות V, והוא נמדד במערכת היחידות הבין-לאומית ביחידות של וולט (על שם אלסנדרו וולטה).

מוליך הוא חומר שמכיל מטענים חשמליים חופשיים לתנועה (בניגוד למבודד). במתכת, לדוגמה, חלק מהאלקטרונים אינם ממוקמים סביב גרעינים של אטומים מסוימים בסריג המתכתי, אלא יכולים לנוע בו באופן חופשי. במוליך טעון שאינו נמצא תחת השפעתו של שדה חשמלי, המטענים העודפים יפעילו כוחות דחייה ביניהם ויסתדרו כך שהמרחקים ביניהם יהיו מקסימליים, או באופן שקול, כך שהאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית במערכת תהיה מינימלית. מצב זה מתקיים כאשר הם מפולגים על פניו של הגוף המוליך. בנוכחות שדה חשמלי, מטענים יהיו מרוכזים באופן לא אחיד, גם במוליך נייטרלי: חלק מהמטענים החופשיים יתרכזו בצדו האחד של המוליך, כך שבצדו האחד הוא יהיה טעון חיובית, ובצדו האחר הוא יהיה טעון שלילית – וסך המטען הוא אפס. תופעה זו נקראת השראה אלקטרוסטטית. בתהליך זה השדה החשמלי בתוך המוליך מתאפס, תופעה הידועה ככלוב פאראדיי.

ערך מורחב – כוח חשמלי

הכוח החשמלי בין שני מטענים חשמליים יחסי למכפלת המטענים ולהיפוך ריבוע המרחק ביניהם, בדומה לכוח הכובד, אולם הכוח החשמלי חזק בערך פי ‎10³⁶‎ מכוח הכובד.

סימון המטענים נקבע במקור על פי ניסוי בחשמל: בעת שפשוף פרווה בזכוכית עוברים אלקטרונים מהזכוכית לפרווה. מאחר שבנג'מין פרנקלין קבע שהזכוכית נטענת במטען חיובי, סימן האלקטרון נקבע כשלילי. מטען הפרוטון, אם כן, חיובי. חלקיקים שמורכבים מכמות שווה של מטענים חיוביים ושליליים מסתדרים כך שמטענים הפוכים נמשכים זה לזה. סך המטען של חלקיקים כאלו הוא אפס, והם נקראים נייטרליים. בקירוב טוב הם אינם מפעילים כוחות חשמליים על חלקיקים אחרים, ולכן לרוב אין אנו מרגישים כוחות משיכה או דחייה חשמלית בין גופים. עם זאת, במרחקים קטנים כמו בין מולקולות או אטומים, מורגשים כוחות שיוריים (כוח ואן דר ואלס וכוחות הדומים לו), הנוצרים בשל המרחקים בין המטענים החיוביים והשליליים, הגורמים להשפעות במרחב שאינן מתקזזות זו עם זו.

מטען חשמלי יכול אמנם להתקיים רק כיחידות בדידות (כפולות של מטען האלקטרון או של מטען הפרוטון), אך פעמים רבות, כאשר במערכת מספר רב של מטענים, נוח להתייחס למטען כאילו הוא מפוזר במרחב באופן רציף. במקרים אלו, מוגדרת צפיפות מטען, שהיא פונקציה רציפה (למקוטעין) של המרחב. בנוסף, מטען יכול להצטבר סמוך לפניו של משטח, או לאורכו של גוף חד־ממדי (כמו תיל). במקרים כאלו נוח להגדיר צפיפות מטען משטחית וצפיפות מטען אורכית (בהתאמה).

הכוח שפועל בין מטענים נקודתיים מתואר על ידי חוק קולון, הקובע שכוח זה יחסי למכפלת המטענים של הגופים ולהופכי של ריבוע המרחק ביניהם. חוק זה מתקיים כאשר המטענים נמצאים במנוחה ולכן הוא נקרא גם הכוח האלקטרוסטטי. כאשר המטענים נעים זה ביחס לזה פועל ביניהם כוח נוסף – הכוח המגנטי, התלוי רק בגודל המטענים ובמהירות היחסית שלהם. בכל מקרה קיים יחס ישר בין הכוח הפועל על מטען חשמלי כתוצאה ממטענים חשמליים אחרים לבין גודל המטען, והכוח ליחידת מטען הוא קבוע (בתנאי שניתן להזניח את השפעת מטען זה על יתר המטענים).

ערך מורחב – מוליכות חשמלית

ברוב המוליכים קיים יחס ישר בין המתח והזרם – קשר הידוע כחוק אוהם. היחס בין המתח לזרם נקרא התנגדות חשמלית, שאותה מקובל לסמן באות R, והיא נמדדת במערכת היחידות הבין-לאומית ביחידות של אוהם (על שם גאורג אוהם). הגודל ההופכי להתנגדות נקרא מוליכות חשמלית – המידה שבה מתח על מוליך גורם לזרם דרכו – וניתן לנסח באמצעותו ניסוח כללי יותר לחוק אוהם: צפיפות הזרם בנקודה בתוך מוליך עומדת ביחס ישר לשדה שמופעל באותה נקודה, ומקדם הפרופורציה הוא המוליכות החשמלית.

נגד הוא רכיב בעל התנגדות ידועה בין הדקיו, וניתן לייחס לו הספק, משום שמטענים נעים בו מפוטנציאל גבוה לנמוך. קצב השינוי באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של המטענים בזמן נקרא הספק חשמלי. ההספק מסומן לרוב באות P ונמדד במערכת היחידות הבינלאומיות ביחידות של ואט (על שם ג'יימס ואט). ההספק החשמלי על נגד נתון על ידי מכפלת הזרם הזורם דרך הנגד במפל המתח עליו (המתח ש"מתבזבז" עליו).

ערך מורחב – קצר חשמלי

בחיבור הדקי מקור מתח על ידי תיל מוליך יתרחש קצר חשמלי – יזרום זרם גדול מאוד שעלול לגרום להתחממות יתר, שרפה, התעוותות של חומרים, התחשמלות או התפוצצות. במעגלים חשמליים, נתיך וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם לנתק את הזרם במקרה של קצר. עם זאת, במערכות מסוימות, קצר הוא מצב רצוי. כך למשל, בפעולת הריתוך משתמשים לעיתים במעגל מקוצר, על מנת ליצור הספק גדול דיו לחימום המתכות.

סכנת התחשמלות, וכן פריצת שריפה כתוצאה מליקוי מערכת החשמל או מכשיר חשמל, הן סוגיות מרכזיות במסגרת בטיחות בבית.

ערך מורחב – מגנטיות

על מטען שנע ביחס למטענים אחרים פועל כוח נוסף מלבד הכוח החשמלי – הכוח המגנטי. הקשר בין הכוח המגנטי והשדה המגנטי נתון בכוח לורנץ. השדה המגנטי נוצר על ידי מטענים בתנועה, והקשר בינו לבין זרם המטענים נתון על ידי חוק אמפר או על ידי חוק ביו-סבר. גם הכוח המגנטי היה ידוע עוד בימי קדם ככוח שפועל בין אבנים מסוימות לברזל, או ככוח שפועל על מחט של מצפן. אולם הקשר בין תופעת המגנטיות לבין חשמל נתגלתה רק ב־1821 על ידי הנס כריסטיאן ארסטד, שהבחין בשדה מגנטי שנוצר מסביב לתיל מוליך נושא זרם. התורה המאוחדת של החשמל והמגנטיות תוארה באופן מלא על ידי ג'יימס קלרק מקסוול במשוואות מקסוול. בעזרת משוואות אלה ניתן לתאר גם קרינה אלקטרומגנטית כגל של השדה האלקטרומגנטי.

השראה אלקטרומגנטית היא תופעה הקושרת בין חשמל ומגנטיות, בה שינוי בשטף מגנטי גורם להופעה של מתח חשמלי במוליך. תופעה זו היא המנגנון המאפשר ייצור זרם חילופין על ידי גנרטור ואת פעולתם של סליל ההשראה, השנאי והמנוע החשמלי. ההשראה האלקטרומגנטית מתוארת על ידי חוק פאראדיי, שהוא אחד ממשוואות מקסוול. חוק פאראדיי אומר, שהכוח האלקטרו מניע שנוצר בלולאה מוליכה סגורה נמצא ביחס ישר לקצב שינוי שטף השדה המגנטי דרך השטח הכלוא בלולאה. באותו אופן שבו השינוי בשטף מגנטי משרה מתח (שדה חשמלי לאורך דרך), כך גם שינוי בשטף של שדה חשמלי משרה שדה מגנטי לאורך דרך. זהו התיקון של מקסוול לחוק אמפר.

מסלול סגור חשמלי (נקרא גם "מעגל חשמלי" אם כי אינו בהכרח עגול) הוא מערכת שבה מחוברים מספר רכיבים, בדרך כלל למקור מתח. המעגל מיוצג בשרטוט שבו סימונים שונים מייצגים רכיבים חשמליים, וקווים ישרים מייצגים חיבור חשמלי (ראו איור). אופן החיבור הפשוט ביותר הוא חיבור בטור או במקביל. חיבור טורי הוא חיבור של שני רכיבים בזה אחר זה כך שהזרם שעובר דרכם שווה, אך המתח שנופל על כל אחד מהם עשוי להיות שונה. בחיבור מקבילי שני הדקי הרכיבים מחוברים אלה אל אלה כך שהמתח הנופל על הרכיבים שווה, אך הזרם שעובר בכל אחד מהם עשוי להיות שונה.

הקיבול של מוליך הוא היחס בין המטען שמצטבר עליו לפוטנציאל שלו. קבל הוא רכיב בעל קיבול ידוע והוא לרוב מכיל זוג מוליכים המחוברים לשני הדקים, וכאשר נופל מתח על ההדקים נצבר מטען שווה בגודלו והפוך בסימנו על פני המוליכים. הקיבול הוא תכונה של המבנה הגאומטרי של המוליכים ותלוי גם במבודד שמפריד ביניהם, הנקרא חומר דיאלקטרי. הקיבול מסומן באות C ונמדד בפאראד (על שם מייקל פאראדיי).

השראות היא תכונה של מעגל חשמלי, המראה עד כמה הוא מתנגד לשינויים בזרם בו על פי חוק לנץ. ההשראות מוגדרת כיחס בין השטף המגנטי דרך השטח הכלוא על ידי המעגל החשמלי לבין הזרם היוצר את השדה המגנטי. ההשראות מסומנת L ונמדדת בהנרי (על שם ג'וזף הנרי). סליל השראה הוא רכיב בעל השראות ידועה שלרוב תלויה במבנה הגאומטרי שלו.

היחס בין המתח הנופל על קבל או משרן לזרם הזורם דרכם אינו קבוע אלא תלוי בקצב שינוי המתח או הזרם בזמן. אך אם הרכיבים מחוברים למקור של זרם חילופין – זרם שמשתנה באופן מחזורי בצורה סינוסואידית, המתחים והזרמים ברכיבים יהיו גם הם סינוסואידיים באותה התדירות אך עם משרעות שונות ובהפרשי מופע. עכבה חשמלית (הנקראת גם אימפדנס) היא גודל מרוכב המתאר את היחס בין המתח והזרם ברכיב כללי (לאחר זמן התייצבות כלשהו), בדומה להתנגדות. גודל העכבה הוא היחס בין משרעת המתח למשרעת הזרם, והזווית שלה בהצגה קוטבית היא הפרש המופע בין המתח והזרם.

אלקטרוניקה היא תחום העוסק במעגלים המכילים רכיבים אלקטרוניים המבצעים מניפולציות מורכבות בזרם החשמל כגון דיודה וטרנזיסטור. בתחילה האלקטרוניקה התבססה על שפופרות ריק, בהמשך על מוליכים למחצה, ובשנות ה-60 פותח המעגל המשולב, שאפשר ייצור של מעבדים ספרתיים. בעזרת רכיבים אלקטרוניים ניתן ליצור מגברים, רכיבי מיתוג, שערים לוגיים, דלגלגים ועוד. הם מהווים את הבסיס לרוב מכשירי האלקטרוניקה ומכשירי החשמל הביתיים ותרמו תרומה עצומה להתקדמות הטכנולוגית במאה ה-20.

ערך מורחב – ייצור חשמל

ייצור חשמל הוא תהליך המשתמש באמצעים שונים על-מנת להפוך אנרגיה מסוגים שונים לחשמל. זהו שלב בסדרה של תהליכים שכוללים גם את העברת החשמל וחלוקת החשמל אל הצרכנים, והזנת מוצרי חשמל באנרגיה אשר דרושה לפעולתם. רוב ייצור החשמל בעולם נעשה בתחנות כוח המופעלות בתוצרי נפט, פחם, גז טבעי ואנרגיית גרעין באמצעות השראה אלקטרומגנטית. קיימות גם דרכים אחרות להפקת חשמל ובהן: אנרגיה גרעינית, אנרגיית רוח, אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה סולארית, אנרגיה כימית ועוד. צריכת חשמל היא מכפלה של ההספק שצורך מכשיר חשמלי במשך זמן פעולתו, והיא נמדדת בואט-שעה.

הפקת חשמל מדלקים מאובנים (נפט, פחם וגז טבעי), כרוכה בפליטת גזי חממה אשר תורמים להתחממות הגלובלית.

לחשמל קשת רחבה של שימושים בעולם המודרני. לאחר המצאת הנורה החשמלית בסוף המאה ה-19, הפכה התאורה החשמלית למוצר החשמלי הראשון בו נעשה שימוש רחב והיא החליפה את התאורה באמצעות להבות. התנור החשמלי הוא בטיחותי ונוח, ובאמצעות חשמל מתאפשרת פעולת המקרר ומיזוג האוויר. למנוע החשמלי שימושים רבים ומגוונים. אותות חשמליים מאפשרים מחשוב ותקשורת, ומכשירי חשמל ואלקטרוניקה מהווים חלק משמעותי מהמוצרים שאנו צורכים. לחשמל שימושים ביתיים, תעשייתיים, רפואיים, צבאיים, ואף קיימת שיטה להוצאה להורג באמצעות חשמל בכיסא חשמלי. למעשה החשמל הוא הכוח הפיזיקלי שרתם האדם לצרכיו באופן המגוון והרחב ביותר, ולא ניתן לתאר את חייו של האדם המודרני ללא שימוש בו.

החשמל בא לידי ביטוי בתופעות טבע שונות:

• ברק הוא תופעת טבע חשמלית עוצמתית ביותר. הוא נגרם מפריקת חשמל סטטי שנמצא בעננים. המתח החשמלי בין תחתית הענן לבין הקרקע נע בין 20 ל-100 מיליון וולט. עוצמת זרם הברק עשויה להגיע עד 10,000 אמפר. אחת התוצאות של הזרימה החשמלית הזו היא שהאוויר בדרך מתחמם מאוד ויכול להגיע לטמפרטורה של למעלה מ-27 אלף מעלות.
• רוב הכוחות המוכרים לנו ברמה המקרוסקופית הם כוחות חשמליים: הכוח הנורמלי, כוח החיכוך, הכוח האלסטי וסוגים שונים של קשרים כימיים כולם נגרמים מכוחות חשמליים מיקרוסקופיים.
• השדה המגנטי של כדור הארץ נוצר על ידי תנועה סיבובית של יונים בליבת כדור הארץ.
• פיאזואלקטריות היא תופעה בה מאמץ לחיצה על גבישים מסוימים גורם למתח חשמלי, ולהפך.
• נוירונים במערכת העצבים מעבירים מידע לאורך האקסונים והדנטריטים שלהם באמצעות פוטנציאלי פעולה.
• בעלי חיים רבים (לדוגמה, כרישים) רגישים לשינויים בשדה החשמלי. אחרים מסוגלים לייצר בעצמם שדות חשמליים רבי עוצמה המשמשים לניווט, ציד או הגנה עצמית. דג החשמלן ממשפחת הכרישים, לדוגמה, מייצר מתח חשמלי של 50 וולט. הצלופח הדרום אמריקני בנהר האמזונאס מייצר מתח של 660 וולט, שמסוכן אף לבני אדם.

הנדסת חשמל ואלקטרוניקה היא תחום בהנדסה העוסק בחשמל. התחום הפך לעיסוק בעל זהות מגובשת בסוף המאה ה-19 בד בבד עם מגמת המסחור של הטלגרף ושל אספקת חשמל לצרכנים. כיום, התחום מכסה מגוון רחב של תת-תחומים שבחלקם כלל אין עיסוק במעגלים חשמליים אלא בעיקר במתמטיקה שימושית. בהם ניתן למנות את הנדסת מערכות תקשורת, עיבוד אותות, אלקטרואופטיקה, מיקרואלקטרוניקה, קרינה אלקטרומגנטית, תורת הבקרה, הנדסת מחשבים, וזרם חזק (הספק והמרת אנרגיה).

• ספרים בנושאי חשמל בהוצאת האוניברסיטה הפתוחה באתר גוגל ספרים:
  • תורת החשמל
  • חשמל א' יחידות 3-4
  • חשמל א' יחידות 5-6
  • מערכות בקרה ואנרגיה תורת החשמל
  • עולם החשמל והאלקטרוניקה
• לימוד חשמל בשפה פשוטה, כולל נוסחאות באתר דע מדע
• למה בכלל חשמל?, באתר מוזיאון המדע בירושלים
• אילון גלעד, גלגולה של מילה – חשמל, באתר הארץ, 5 בינואר 2013
• טיפים והמלצות לחיסכון באנרגיה בבית, משרד האנרגיה והמים
• איך מפיקים חשמל? באתר הכיתה האינטראקטיבית
• מילון למונחי חשמל ומגנטיות | חשמל ומגנטיות 1976 | חשמל 1935 | באתר האקדמיה ללשון העברית
• The Big Misconception About Electricity, סרטון בערוץ "Veritasium", באתר יוטיוב (אורך: 14:48), 19 בנובמבר 2021
• How Electricity Actually Works, סרטון בערוץ "Veritasium", באתר יוטיוב (אורך: 24:31), 29 באפריל 2022
• חשמל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• חשמל, דף שער בספרייה הלאומית

הנדסת חשמל (לרוב: הנדסת חשמל ואלקטרוניקה) היא תחום הנדסי אשר עוסק – במובנו הרחב ביותר – במניפולציה של גלים אלקטרומגנטיים. הנדסת החשמל כרוכה לרוב, בתכנון מעגלים חשמליים והתאמתם ליישום הדרוש, ומכסה מגוון רחב של תת-תחומים ביניהם הספק, אלקטרוניקה, אלקטרואופטיקה, בקרה, עיבוד אותות ותקשורת.

הנדסת האלקטרוניקה עוסקת במערכות אלקטרוניות זעירות כמחשבים ומעגלים משולבים ובבעיות הכרוכות במערכות חשמליות גדולות כגון ייצור חשמל ובקרה^[1]. מהנדס חשמל עוסק בחשמל כאמצעי להעברת אנרגיה. לעומתו, מהנדס אלקטרוניקה עוסק בשימוש בחשמל כאמצעי להעברת אינפורמציה.

התחום הפך לעיסוק בעל זהות מגובשת בסוף המאה ה־19, בד בבד עם מגמת המסחור של הטלגרף ושל אספקת חשמל לצרכנים. הנדסת החשמל והאלקטרוניקה הובילה לפיתוח סוגים רבים של התקנים חשמליים ואלקטרוניים בהם מנועים חשמליים, טלוויזיות, לוויינים, נגני מוזיקה מסוגים שונים, טלפונים סלולריים ומחשבים.

חשמל היה מוקד לעניין מדעי לפחות החל מהמאה ה-17, אך רק במאה ה-19 החל מחקר משמעותי בנושא. פריצות הדרך העיקריות בתקופה זו כללו את עבודתו של גאורג אוהם, שבשנת 1827 כימת את היחס בין הזרם החשמלי לבין הפרש הפוטנציאל חשמלי בתוך מוליך, עבודתו של מייקל פאראדיי בנושא ההשראה האלקטרומגנטית ב־1831 וכן עבודתו של ג'יימס קלרק מקסוול שבשנת 1873 פרסם את משוואות מקסוול.

האיש שגילה את הובלת החשמל והיה הראשון להגות את הרעיון של העברת כוח חשמלי הוא יוסף פופר שפרסם את תגליתו ב-1862. בשנת 1882, הקים תומאס אדיסון את רשת החשמל הראשונה. היא סיפקה זרם ישר במתח של 110 וולט ל-59 צרכנים במנהטן. בשנת 1887, רשם ניקולה טסלה מספר פטנטים בנוגע לזרם חילופין כשיטה חלופית להובלת חשמל אשר התחרתה בשיטה של אדיסון. בשנים הבאות התעצמה היריבות בין טסלה לאדיסון, בנוגע לשיטת הובלת הזרם. לבסוף הכריעו הנסיבות לטובת זרם חילופין כשיטה לייצור והובלת חשמל. המאמצים של שני האישים קידמו משמעותית את השימוש בחשמל ואת תחום הנדסת החשמל.

התפתחות תעשיית האנרגיה החשמלית והאור באותן שנים גרמה לעלייה משמעותית בביקוש למהנדסי חשמל מנוסים. באותה תקופה, הוכשרו מהנדסים בתהליך של למידת שוליה. שיטת זו הכשירה מהנדסי מכונות ומהנדסים אזרחיים, אך כשלה בניסיון להכשיר אנשים שחפצו להשתלב בתעשיית החשמל מכיוון שההתפתחות המהירה של התחום לא איפשרה צבירת ניסיון ממנו יכול היה ללמוד סטודנט פוטנציאלי^[2].

באותן שנים, נחשב לימוד החשמל כתת-תחום של פיזיקה, ומשימת לימודי הנדסת החשמל נפלה לחיק הפרופסורים לפיזיקה, כאשר רק להם היה את הידע החשמלי הנדרש ואת היכולות להעביר אותו למספר גדול של סטודנטים. רק בסוף המאה ה-19 החלו אוניברסיטאות להציע תארים אקדמיים בהנדסת חשמל. הפקולטה הראשונה בעולם להנדסת חשמל הוקמה בשנת 1882 באוניברסיטת דרמשטאדט לטכנולוגיה. בשנת 1883 הציגה אוניברסיטה זו בשיתוף עם אוניברסיטת קורנל את הקורסים הראשונים בתחום הנדסת החשמל. בשנת 1885 הוקמה הפקולטה הראשונה באנגליה^[3]. אוניברסיטת מיזורי הקימה ב-1886 את הפקולטה להנדסת חשמל הראשונה בארצות הברית.

במשך זמן רב עדיין שמרו מחלקות הנדסת החשמל על קשרים הדוקים עם מחלקות הפיזיקה שמהן התפצלו. כמעט שלא הייתה הפרדה בין מחקר מתקדם בהנדסת חשמל לבין מחקר בתחום הפיזיקה. ממציאים הסתמכו על גילויים שונים של פיזיקאים, ופיזיקאים תקפו בעיות טכנולוגיות שנעו בין היעילות של מנוע הקיטור לבין הדעיכה של אותות טלגרפיה, אך למרות זאת, מעטים הם המהנדסים במאה ה-19 שהחשיבו למידה אקדמית בתחום הפיזיקה כמסלול המיטבי להצלחה במקצועם.

לאחר המצאת הרדיו, תרמו מדענים וממציאים רבים לטכנולוגיה האלחוטית והאלקטרוניקה. בניסוייו הקלאסיים ב-UHF בשנת 1888, שידר וקלט היינריך הרץ (באמצעות spark-gap transmitter) גלי רדיו באמצעות ציוד חשמלי. בשנת 1895, ניקולה טסלה הצליח לקלוט באזור וסט-פוינט אותות משידורים שנבעו ממעבדתו שבניו יורק (מרחק המוערך בכ-80 קילומטרים)^[4]. קרל פרדיננד בראון, הציג לעולם בשנת 1897 את שפופרת הקרן הקתודית כחלק מהאוסצילוסקופ, טכנולוגיה שתשמש מאוחר יותר בהמצאת הטלוויזיה. ג'ון פלמינג המציא את הדיודה הראשונה בשנת 1904. שנתיים מאוחר יותר, פותחה שפופרת הגברה הקרויה טריודה, על ידי רוברט ואן ליבן ולי דה פורסט^[5].

בשנת 1920 המציא אלברט ו. האל מגנטרון אשר ישמש אחר כך לפיתוח המיקרוגל בשנת 1946 על ידי פרסי ספנסר^[6][7]. בשנת 1934, החל הצבא הבריטי, תחת הנחייתו של דוקטור וימפריס, לבצע צעדי ענק לקראת הרדאר (שגם כן עושה שימוש במגנטרון). תחנת הרדאר הראשונה הופעלה בבאוודסיי באוגוסט 1936^[8]. בשנת 1941 הציג קונראד צוזה את ה-Z3, המחשב הפועל, בר התכנות, הראשון בעולם^[9]. בשנת 1946 הופיע ה-ENIAC של ג'ון פרספר אקרט וג'ון מוקלי ובישר את תחילת עידן המחשוב. הביצועים האריתמטיים של המכונות החדשות אפשרו למהנדסים לפתח טכנולוגיית חדשות לחלוטין ולהשיג יעדים חדשים ביניהם תוכנית אפולו והנחיתה על הירח^[10].

המצאת הטרנזיסטור בשנת 1947 על ידי ויליאם שוקלי, ג'ון ברדין ווולטר בראטיין פתחה אפשרויות חדשות ליצור התקנים קומפקטיים יותר והובילה לפיתוח המעגל המשולב, על ידי ג'ק קילבי בשנת 1958 ובאופן עצמאי מאוחר יותר ב-1959 על ידי רוברט נויס^[11]. בשנת 1968 מרסיאן הוף פיתח את המיקרו-מעבד הראשון בחברת אינטל ובכך נתן את אות הפתיחה לפיתוח המחשב האישי. המימוש הראשון של המיקרו-מעבד היה מודל האינטל 4004, מעבד 4 סיביות, שפותח בשנת 1971. אולם, רק בשנת 1973 אפשר האינטל 8080, מעבד בן 8 סיביות, לבנות את המחשב האישי הראשון, ה-Altair 8800^[12].

מהנדסי חשמל עוסקים במגוון רחב של טכנולוגיות - החל בהתקני GPS וכלה בייצור חשמל. הם מתכננים ומפתחים התקנים אלקטרוניים ומערכות חשמל וכן מפקחים על פעילות מערכות החשמל ובדיקתן. מהנדס חשמל יכול לעסוק בתכנון מערכת תקשורת, שבבים או מערכות אלקטרוניות ביתיות, בעיבוד אותות, או בתכן מערכות בקרה של מכונות, רובוטים, טילים ומטוסים.

שליטה במדעי המתמטיקה והפיזיקה חיונית שכן היא מסייעת להשיג הבנה כמותית ואיכותית לגבי אופן פעולתן של מערכות. רוב עבודת ההנדסה כוללת שימוש במחשבים וזה מנהג שבשגרה להיעזר בתוכנות CAD בעת תכנון מערכות אלקטרוניות. בנוסף יכולות בין-אישיות ויכולות העלאת רעיונות חיוניות כדי לתקשר עם עמיתים במהירות.

רוב מהנדסי החשמל בעלי ידע בתורת מעגלים חשמליים בסיסית (כלומר התפקיד של נגד, קבל, דיודה, טרנזיסטור וסליל במעגל חשמלי). אולם, הידע שמהנדס חשמל משתמש בו תלוי בסוג העבודה שעליו לבצע. למשל, מכניקת הקוונטים ופיזיקת מצב מוצק חשובים בתחום המיקרואלקטרוניקה אבל לא חיוניים בעת עבודה עם מערכות גדולות. ייתכן שידע בתורת המעגלים החשמליים לא יהיה הכרחי למהנדס המתכנן מערכת תקשורת העושה שימוש ברכיבי מדף. היכולות שלהן זקוק מהנדס חשמל משתקפות בתוכניות הלימוד של האוניברסיטאות השונות שמדגישות חשיבה מתמטית, ידע רחב במחשבים והיכולת להבין את הז'רגון והעקרונות הטכניים אשר קשורים בתחום הנדסת החשמל.

נתח ניכר מעבודת המהנדס מוקדש לביצוע מטלות כגון שיג ושיח בנוגע להצעות מול לקוחות, הכנת תקציב והחלטה על לוח זמנים למיזם. מהנדסים בכירים רבים מנהלים צוותים של טכנאים או מהנדסים זוטרים וזו הסיבה שיכולת לנהל מיזם היא חשובה ביותר. ברוב המיזמים ההנדסיים קיים צורך בתיעוד ולכן יש חשיבות ליכולת כתיבה טכנית מעולה.

מקומות העבודה של מהנדסי החשמל מגוונים כמו סוגי העיסוקים שלהם. מהנדסי חשמל יכולים להימצא במעבדה של מפעל ייצור בעבודות פיתוח, אימות או ייצור, במשרד של חברת ייעוץ, או באתר עבודות. במהלך תקופת עבודתם, רבים מהם יפקחו על מגוון רחב של אנשים ביניהם מדענים, טכנאים, מתכנתים ומהנדסים עמיתים.

ערך מורחב – ארכיטקטורת מחשב

ארכיטקטורת מחשבים קשורה בתכנון של מחשבים ומערכות מחשבים. הדבר כרוך לעיתים בתכנון של חומרה חדשה. מהנדסי מחשבים גם עובדים לעיתים בתכנון התוכנה של המערכת. למרות עובדה זו, תכן מערכות תוכנה מורכבות מהווה מטלה שקשורה בתחום הנדסת התוכנה אשר נחשב לרוב כתחום נפרד. מחשבים שולחניים הם חלק קטן מההתקנים שמהנדס מחשבים עשוי לעבוד עמם שכן ארכיטקטורות דמויות מחשב נפוצות כיום גם במגוון רחב של התקנים כגון : קונסולות משחקי וידאו ונגני DVD.

ערכים מורחבים – הנדסת מערכות תקשורת

הנדסת מערכות תקשורת מתמקדת בשידור של נתונים דרך קו תקשורת כגון כבל קואקסיאלי, סיב אופטי או בקשר רדיו דרך חלל האוויר. קשר רדיו דורש שהמידע המועבר יהיה מקודד בגל נושא על מנת שהנתונים ימצאו בתדר שידור מתאים. שיטה זו ידועה כאפנון. שיטות אפנון ידועות הן אפנון משרעת ואפנון תדר. סוג האפנון משפיע על מחיר המערכת וביצועיה. על המהנדס מוטלת המשימה לאזן בין שני גורמים אלו.

לאחר קביעת מאפייני השידור של מערכת, המהנדסים מתכננים את המשדר ואת המקלט הדרושים למערכת. שיקול עיקרי בתכנון של משדרים הוא ההספק החשמלי שלהם והדבר קשור לעוצמת האות שלהם. אם עוצמת האות של משדר אינה מספקת אזי לאות הנקלט במקלט יצטרפו הפרעות ורעשים, שעלולים לשבש או למנוע את קבלת המידע הרצוי.

בתוך תחום התקשורת קיים נושא תקשורת הנתונים, העוסק בהכרת ובהבנת תהליכים המאפשרים העברת נתונים בין מחשבים ואמצעים נוספים. מהנדסים בתחום זה עוסקים בתכנון רשתות מחשבים ובהערכת מדדים שונים המעידים על ביצועיהן כגון קצב נתונים, כמות משתמשים, עמידה בעומסים, ויכולת אוטומטית להתגברות על תקלות.

ערך מורחב – מיקרואלקטרוניקה

מיקרואלקטרוניקה עוסקת בתכנון של רכיבים אלקטרוניים מזעריים לצורך שימוש במעגל משולב או לשימוש כרכיב אלקטרוני העומד בפני עצמו. רכיבים נפוצים הם טרנזיסטורים שונים העשויים ממוליך למחצה. כל הרכיבים האלקטרוניים נגדים, קבלים וסלילים יכולים להיווצר ברמת המיקרו.

רוב הרכיבים מתוכננים באמצעות שילוב של סיליקון עם יסודות כימיים נוספים כדי ליצור את האפקט האלקטרומגנטי הרצוי. זו הסיבה שמיקרואלקטרוניקה מצריכה ידע במכניקת הקוונטים ובכימיה.

ערך מורחב – עיבוד אותות

עיבוד אותות הוא תחום העוסק בניתוח ועיבוד של מידע המצוי באותות. אותות יכולים להיות אותות אנלוגיים או דיגיטליים. באות אנלוגי האות משתנה ברציפות בהתאם למידע, ואילו בדיגיטלי האות משתנה בהתאם לסדרה של ערכים דיסקרטיים שמייצגים את המידע. עבור אותות אנלוגיים, עיבוד אותות עשוי לערב מגבר ומסנן חשמלי או אם מדובר בתחום התקשורת אפנון של האותות. עבור אותות ספרתיים עיבוד אותות ספרתי עשוי לכלול דחיסת נתונים, גלוי שגיאה ותיקון שגיאה של אותות דגומים.

ערך מורחב – הנדסת בקרה

הנדסת בקרה שמה דגש על מידול של מגוון רחב של מערכות דינמיות ועל תכן בקרים שיאפשר למערכות להתנהג באופן הרצוי. על מנת לממש בקרים אלו מהנדסי חשמל יכולים להשתמש במעגלים חשמליים, מעבדי DSP וכן מיקרו-בקרים. הנדסת בקרה מאפשרת יישומים רבים החל במערכות אוויוניקה, טיסה והנעה של מטוסים וכלה בבקרת שיוט הקיימת במכוניות רבות. לבקרה גם תפקיד מפתח באוטומציה תעשייתית. מהנדסי בקרה מיישמים פעמים רבות משוב כאשר הם מתכננים מערכות בקרה. למשל, במכונית עם בקרת שיוט המהירות של המכונית נמדדת באופן תדיר ומוזנת חזרה למערכת שמכווננת את מהירות המנוע בהתאם. היכן שיש משוב, תאוריית הבקרה יכולה לקבוע כיצד תגיב המערכת למשוב.

מהנדסי חשמל בתחום הזרם החזק מתכננים את מערכות הייצור וההולכה של החשמל, החל בתחנות הכוח, דרך מערכות ההשנאה וההולכה, וכלה במתקני הצריכה הסופיים כמבנים, תאורת חוץ, רכבות חשמליות וכדומה. בישראל ובמדינות רבות אחרות נדרש רישיון על מנת לעסוק בתחום הזרם החזק והתכנון עצמו כפוף לחוקים ולתקנות.
תחום נפוץ נוסף בו עוסקים מהנדסי זרם חזק הוא ניהול תחזוקת מערכת החשמל של מתקנים מורכבים כגון נמלי תעופה, בתי חולים ובתי חרושת.

תחום השייך לשני ענפים: זרם חזק ואלקטרוניקה. הוא עוסק בהמרת אנרגיה חשמלית באמצעות רכיבים אלקטרוניים, תוך שמירה על נצילות גבוהה. התחום מקיף מכלול רחב של יישומים, ובהם הזנת סוללות למכשור נייד, המרת מתח רשת לצורך הזנת מחשבים ותאורה (לדוגמה, המרה ממתח רשת של 220 וולט AC למתח מחשבים, 12 וולט DC), המרת אנרגיה מתחדשת לאנרגיה חשמלית ועוד.

תת-תחום המשלב בין אלקטרוניקה ואופטיקה, ומטפל בחקר ויישום תופעות הקשורות באינטראקציה שבין אופטיקה ותורת הגלים לבין תורת החשמל והאלקטרוניקה. התחום מקיף מכלול יישומים העושים שימוש בתוכנות אלקטרואופטיות שונות לשם הפקת אנרגיה, תכנון עדשות או מערכת עדשות, חישה מרחוק, הצבת תאורה, עיבוד תמונה ונושאים נוספים. בין הרכיבים האלקטרואופטיים הנפוצים נמצאים: תאי שמש (תאים סולריים), דיודה פולטת אור (לד LED) ופוטודיודה, לייזר, גלאים בתדרים שונים (אור נראה, תת-אדום, על סגול), סיבים אופטיים ועוד. בין המערכות האלקטרואופטיות המוכרות יותר נמנים: מסכים מסוגים שונים כגון, CRT, פלזמה ו-LCD, מקרנים, מצלמות בתדרים שונים, מערכות גילוי או ניתוח מידע הכוללות עיבוד תמונה, תקשורת אופטית, מכשירי ראיית לילה ומכונות פוטוליתוגרפיה.

מכטרוניקה הוא תחום בהנדסה שעוסק בנקודה שבה מתכנסות מערכות אלקטרוניות ומכניות. מערכות אלקטרומכניות כאלה נפוצות ביותר. דוגמאות הן למשל מערכות ייצור אוטומטיות, מערכות מיזוג אוויר ותת מערכות של מטוסים ומכוניות.

מקובל לראות במכטרוניקה תחום העוסק במערכות עם ממדים גדולים אבל עתידנים חוזים את פריחתם של ההתקנים האלקטרומכניים המזעריים. התקנים כאלה, הקרויים התקני MEMS מותקנים במכוניות על מנת לתזמן את פתיחת כריות האוויר, במדפסות על מנת לשפר את איכות ההדפסה ובמקרנים על מנת לשפר את חדות התמונה. התקנים אלו עשויים בעתיד לסייע לשפר תקשורת אופטית ולבנות התקנים מזעריים ברי השתלה^[13].

הנדסה ביו-רפואית הוא תחום העוסק בתכן ציוד רפואי מתקדם.

מהנדסי חשמל מחזיקים בתואר אקדמי. בישראל אורכם של לימודי הנדסת חשמל לתואר ראשון הוא ארבע שנים. הלימודים מתקיימים באוניברסיטאות ומכללות אקדמיות^[14]. הנדסת חשמל היא בין תחומי הלימוד הפופולריים מענפי ההנדסה בקרב הסטודנטים באקדמיה הישראלית^[15].

התואר כולל לימודי קורסים שונים בפיזיקה, מתמטיקה, ניהול פרויקטים ונושאים ממוקדים בתחום הנדסת החשמל. לקראת סוף התואר הסטודנטים בוחרים להתמחות בתחום אחד או יותר מבין מגוון התחומים המוצעים. תחומי ההתמחות שמציעים המוסדות האקדמיים כוללים רשתות תקשורת, עיבוד אותות, מחשבים ומערכות הספק.

עבודה בארץ כמהנדסי חשמל מחייבת סיום מוצלח של התואר הראשון וכן רישום בפנקס המהנדסים והאדריכלים שהרישום בו מקנה הכרה בתואר המהנדס שמעניקים המוסדות. לצורך רישום במדור החשמל מערכות הספק מציב משרד העבודה, הרווחה והשירותים החברתיים מספר מקצועות חובה שעליהם להיכלל בתואר, כמו כן ישנה דרישה להשלמת מעבדות ולהגשת פרויקט גמר^[16].

תואר שני בתחום יכול לכלול מחקר או תרגול בקורסים או שילוב של שניהם. במוסדות הלימוד בארץ מוצעים מסלולים מחקריים עם תזה לתואר שני בהנדסת חשמל וכן מסלולים ללא תזה, הידועים כמסלול עיוני או מסלול נלמד. תואר דוקטור הידוע גם כתואר שלישי הוא מסלול הכולל מרכיב מחקרי משמעותי והוא נלמד על פי רוב באוניברסיטאות.

• התאגדות מהנדסי חשמל, אלקטרוניקה ואנרגיה בישראל – עמותה מקצועית המייצגת מהנדסים העוסקים בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה, בקרה, אנרגיה ותקשורת בישראל.
• Institute of Electrical and Electronics Engineers – אגודה מקצועית בינלאומית של העוסקים בהנדסת חשמל, ידועה בראשי התיבות IEEE

• הנדסת מחשבים
• הנדסה ביו-רפואית

מערכות ליניאריות ומערכות לא ליניאריות קרינה אלקטרומגנטית מעגלים אלקטרוניים אנלוגיים מעגלים אלקטרוניים דיגיטליים התקנים אלקטרוניים מיקרואלקטרוניקה ותכן VLSI מבנה המחשב

משפט הדגימה של נייקוויסט-שאנון, עיבוד אותות ודחיסת אותות קיבול ערוץ אלקטרואופטיקה מכשור תעשייתי רובוטיקה בקרה תעשייתית מנועים חשמליים

• אדיר בר לב, עולם החשמל והאלקטרוניקה, האוניברסיטה הפתוחה - (קריאת הספר בתצוגה מלאה באתר "גוגל ספרים" )

• הכול אודות מעגלים למד הכול אודות בניית מעגלים חשמליים ובניית מוצרים באמצעות מעגלים אלה.(אנגלית)
• מוזיאון וירטואלי של ארגון IEEE מציג הרבה מונחים בסיסיים באלקטרוניקה וחשמל באמצעות דוגמאות, המחשות וראיונות
• של MIT מבט מעמיק לנבכי הנדסת החשמל באמצעות קורסים מקוונים המכילים הרצאות וידאו מבית MIT בארצות הברית
• הנדסת חשמל באוניברסיטת בר-אילן
• מידע על מסלולים ללימודי הנדסת חשמל באתר "לימודים בישראל"
• הנדסת חשמל במכללת אפקה - לימודי הנדסה גבוהה בתל אביב
• הנדסת חשמל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• הנדסת חשמל, דף שער בספרייה הלאומית

ייצור חשמל הוא תהליך המשתמש באמצעים שונים על-מנת להפוך אנרגיות מסוגים שונים לחשמל כמוצר צריכה המאפשר הפעלת מכשירי חשמל. זהו שלב מרכזי בשרשרת האספקה של משק החשמל.

בשנת 2015 עמד ייצור החשמל הכלל עולמי על כ-23,093 מיליארד קוט"ש, מתוכם 15,152 יוצרו באמצעות דלקים מאובנים, 5,530 באמצעות אנרגיות מתחדשות ו-2,440 באמצעות אנרגיה גרעינית^[1].

ייצור חשמל לצריכה מתבצע בשלוש שיטות:

• גנרציה - יצירת שדה מגנטי משתנה. זוהי השיטה בה מיוצר רוב החשמל. בשיטה זו מסובבים מגנטים בסביבה של מוליכים חשמליים, וכך מייצרים כוח אלקטרו מניע. סיבוב המגנטים יכול להיעשות באמצעות מנוע מופעל דלק או קיטור, או על ידי ניצול זרמי מים או רוח.
• האפקט הפוטו-וולטאי - בשיטה זו מנוצלים תאים פוטו-וולטאיים לייצור חשמל ישירות מאנרגיית השמש.
• אנרגיה כימית - מגע בין חומרים מסוימים המאפשר יצירת זרם חשמלי. זוהי השיטה העתיקה ביותר ששימשה ליצור אנרגיה חשמלית עוד בטרם הבין האדם את מהותה.

ערך מורחב – גנרטור חשמלי

על-פי חוק ההשראה של פאראדי, בתוך לולאה העשויה מחומר מוליך שנמצאת בשטף משתנה של שדה מגנטי נוצר זרם חשמלי. המשמעות היא כי גם אם הלולאה היא שתנוע ותסתובב בתוך השטף המגנטי, ייווצר זרם רצוף וממושך.

רוב החשמל בעולם מיוצר בתחנות כוח אלקטרו-מכניות המופעלות על ידי דלק מאובנים, כגון תוצרי זיקוק של נפט, גז טבעי או פחם. דלקים אלו משמשים לשרפה ובעירה, על מנת להפיק קיטור או אוויר חם שנעים במהירות. תנועה זו מהווה מקור לאנרגיה קינטית המשמשת לסיבוב גנרטור.

בתחנות כוח מסוג מחזור משולב (מחז"ם), שרפת הדלק יוצרת גז המשמש להנעת טורבינה ולאחר מכן הגז משמש ליצירת קיטור שמפעיל טורבינה נוספת. כמות מועטה של חשמל מיוצרת בעזרת מנועי בוכנה שמפעילים גנרטור.

שריפת דלק מאובנים כמו פחם, תוצרי נפט וגז, הוא הגורם העיקרי לעליה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה, להגברת זיהום האוויר ולהתחממות העולמית. הפחם הוא סוג הדלק אשר יוצר הכי הרבה CO₂, וכן תורם לעליית ריכוז הכספית באוקיינוסים.^{[דרוש מקור]}

תחנות כוח גרעיניות עושות שימוש באנרגיית החום הנפלטת מביקוע גרעיני לייצור קיטור המניע טורבינות שבתורן מניעות גנרטור. בצרפת רוב החשמל מיוצר מאנרגיה זו. אנרגיה גרעינית היא השיטה הבטיחותיות ביותר, עם סטטיסטיקה של כ-0.07 מתים לכל טרה-וואט-שעה- מספר דומה לזה של אנרגיה סולארית ואנרגיית רוח, וקטן פי כ-350 מכמות ההרוגים מתעשיית הנפט^[2]. במקרה של תקלה או אסון פוטנציאל ההשלכות וההרוגים עלול להיות גבוה מאוד בהשוואה לאמצעי יצור אחרים, אך ממוצע המתים הנמוך לוקח בחשבון גם אותם. אנרגיה גרעינית אחראית למעט מאוד פליטות של גזי חממה- כמות דומה או אף נמוכה מאשר אנרגיות מתחדשות,^[3] אך יוצרת פסולת גרעינית מסוכנת, שיש לאחסן בצורה בטוחה. אנרגיה שמקורה באורניום יוצרת פלוטונים בעל פוטנציאל לשימוש כנשק גרעיני, עם זאת ישנן חלופות כמו תוריום, שפולטת פסולת גרעינית פחות מסוכנת וללא פוטנציאל כנשק.

ערך מורחב – אנרגיה מתחדשת

• אנרגיית רוח: ניתן לרתום את כוח הרוח לסובב גנרטורים. שיטה זו נפוצה בצפון אירופה.
• אנרגיית מים: ניתן להפיק אנרגיה בעזרת אנרגיית התנועה של המים, וכן בעזרת האנרגיה פוטנציאלית של נפילת מים. אנרגיה זו מתאימה במיוחד למדינות בהן יש נהרות גדולים, עליהם בונים סכרים ורותמים את האנרגיה של נפילת המים או תנועתם לייצור חשמל.
• אנרגיה גאותרמית: במקומות בהם קרום כדור הארץ דק יחסית ויש פעילות סייסמית, ניתן לנצל את חומו הפנימי של כדור הארץ לחימום מים ולסיבוב טורבינה המפיקה חשמל.
• שימוש בתנועת הגלים או בהפרשי גאות ושפל על מנת להניע גנרטורים.
• בעזרת מראות ניתן לנצל את חום השמש לחמם זורם (אוויר, מים, שמן תרמי או מלח נוזלי) לטמפרטורות גבוהות וכך להניע טורבינה.

ערך מורחב – תחנת כוח פוטו-וולטאית

ייצור חשמל ישירות מאנרגיית השמש מתבצע באמצעות תאים פוטו-וולטאיים. ייצור זה מתבצע מאז ראשית המאה ה-21 בשלושה קני מידה:

• חווה סולארית - מערכת תאים פוטו-וולטאיים בקנה מידה גדול, המיועדת לפעול כתחנת כוח ולספק חלק מתצרוכת החשמל הכללי.
• לוחות סולאריים בהתקנה מקומית, המנצלים בדרך כלל שטח גג פנויים. מתקן בסדר גודל כזה יכול לספק חלק מצריכת החשמל של המבנה עליו הוא מותקן.
• לוחות סולריים בודדים וקטנים - במקומות בהם קיים קושי לסלול תשתית חשמל, במקומות בהן הדבר בלתי אפשרי (כמו בתחנות חלל ולוויינים) ולעיתים על ציוד נייד עם צריכת חשמל קטנה יחסית.

ערך מורחב – סוללה חשמלית

תא אלקטרוכימי הוא מְכל המאפשר יצירת זרם חשמלי הנובע מתהליכים כימיים המתרחשים בתוכו. התא הוא מערכת סגורה המכילה את כל הנדרש להפעלתה, ולאחר ייצורו לא נדרשת שום פעולה או חומר להפעלתו. כמות האנרגיה החשמלית שתא כזה יכול לייצר היא סופית - עד לגמר התגובות הכימיות שבתוכו. עם זאת, קיימים תאים בהם ניתן להפוך את כיוון התגובה ועל ידי כך להאריך את משך השימוש בו ("סוללה נטענת"). ניתן לחבר מספר רב של תאים בתצורות שונות וכך לספק חשמל למגוון רחב של מכשירים.

רוב שיטות ייצור החשמל באמצעות אנרגיה מתחדשת סובלות מבעיית אמינות באספקת החשמל, כלומר אינן מבטיחות ייצור חשמל רצוף. על מנת להתמודד עם תופעה זו, יש לאגור את האנרגיה העודפת במידה וזו מיוצרת. נכון לראשית המאה ה-21, קיימות שלוש שיטות עיקריות לאגור אנרגיה חשמלית:

• קבלים - טעינה של קבלים היא מהירה יחסית, אך כמות האנרגיה הניתנת לאגירה בצורה זו מצומצמת יחסית. בשיטה זו נעשה שימוש באוטובוסים חשמליים הנוסעים במסלולים קצרים יחסית ונטענים מחדש בגמר כל נסיעה.
• סוללות נטענות - שיטה זו מאפשרת אגירה מעט יותר משמעותית, אך כרוכה בזמן טעינה ארוך, תוספת משקל משמעותית ושימוש בחומרים מסוכנים. שיטה זאת נמצאת בשימוש במגוון רחב של תחומים.
• אנרגיה שאובה: באמצעות שאיבת מים אל מאגר גבוה, ניתן להזרימם מטה וכך לסובב טורבינות.

כל השיטות לאגירת אנרגיה חשמלית כרוכות בהכרח בהוצאת חלק מהאנרגיה הנדרשת להפעלתן. עם זאת, במקרה של אגירת אנרגיה ממקורות מתחדשים, ההפסד אינו משמעותי בשל התחדשות המקור.

לחשמל כמוצר צריכה קיימות תכונות ייחודיות המבדילות אותו ממוצרי צריכה אחרים, ומכתיבות את הדרישות מייצור החשמל:

• חשמל לא ניתן לאחסן. על אף האמור לעיל, נכון לראשית המאה ה-21 יכולת האגירה של אנרגיה חשמלית עדיין זניחה ביחס לכמות החשמל הדרושה לצריכה, ולכן תכנון ייצור החשמל אינו מתחשב באגירה.
• "גודל השוק" - קרי כמות החשמל המיוצרת, נקבעת בכל רגע ורגע על ידי הכמות הנצרכת. כל מכשיר חשמלי המתחבר או מתנתק מהמערכת מאלץ את המערכת להתאים את עצמה מיידית לשינוי.
• תהליך הייצור, בקרת האיכות והאספקה לצרכן נעשים בו זמנית ובכל רגע ורגע.
• הצריכה מתאפיינת בשינויים משמעותיים התלויים בשעות היממה, באירועים כשבתות וחגים, בעונות השנה, באירועי מזג אוויר, ובאירועים מקריים נוספים.
• בשל היותו של החשמל מוצר חיוני ביותר, מערכת הייצור חייבת להיות בנויה בצורה המאפשרת לה להתמודד עם מגוון של תקלות, בהן הפסקת ייצור בחלק מהיחידות. המשמעות היא כי על המערכת להחזיק בכל עת עתודות ייצור בפעולה שמאפשרת להן כניסה מיידית לייצור.

בבג"ץ רוזנצוויג מויסה נגד הרשות לשירותים ציבוריים חשמל נפסק שהזכות לאספקת חשמל היא חלק מהזכות לקיום מינימלי בכבוד, ולכן יש לתקן את אמות המידה באופן שיסדיר הליך לשמיעת טענותיו של הצרכן בטרם קבלת ההחלטה על ניתוק מאספקת החשמל. בעקבות פסק הדין גיבשה רשות החשמל נוהל בנושא, המונע ניתוק של מאות אלפי חייבים נזקקים.^[4]

עד קום המדינה פעלה תחנת כוח הידרואלקטרית בנהריים שעל גדת נהר הירדן, וייצרה כ-11 מגה-ואט חשמל בעזרת ניצול זרם המים. תחנות כוח נוספות שפעלו לפני קום המדינה הן תחנת הכוח רדינג ותחנת הכוח חיפה. במלחמת העצמאות נהרסה התחנה שבנהריים, ומאז רובו המוחלט של החשמל בישראל נוצר בתחנות כוח הפועלות על תוצרי נפט (מזוט וסולר), פחם וגז טבעי.

ערך מורחב – משק החשמל בישראל

נהוג לחלק את תחנות הכוח העיקריות בישראל לשני סוגים:

• קיטור: התחנות הגדולות והחשובות בישראל הן קיטוריות. תחנה קיטורית תלויה בקירור מי ים, ולכן כל התחנות מסוג זה ממוקמות לאורך קו החוף. תחנות אלו פועלות על פחם ("אורות רבין" ותחנת הכוח רוטנברג), מזוט (חיפה) וגז טבעי (רדינג ואשכול). כושר הייצור של התחנות הגדולות הוא מעל 2,000 מגה וואט כל אחת.^[5]

• טורבינות גז ומחזור משולב: "טורבינות גז" הוא שם כולל לשיטת קירור אלטרנטיבית ללא מי ים, ולמרות שמן המטעה יכולות לעבוד על דלק נוזלי או גז. רוב טורבינות הגז פועלות כיום על סולר, ומתוכנן מעבר עתידי לגז טבעי. אתרי טורבינות הגז הגדולים בישראל הם אתר חגית שליד צומת אליקים ואתר גזר ליד רמלה, בעלות כושר ייצור של כ- 1,000 מגה וואט כל אחת.^[6]

ביוני 2010 כושר ייצור החשמל בישראל עמד על כ-11.3 אלף מגה וואט, ורובו ככולו נוצל (בימי שרב הניצול שלו עמד על 98% מכושר הייצור)^[7]. עדיין אין ייצור חשמל משמעותי מאנרגיה חלופית בישראל נכון ל-2018 עומד על כ-6.4% מכושר הייצור, ועיקר ייצור החשמל עדיין מתבסס על תחנות כוח המבוססות על דלק מאובנים. ברמת הגולן קיים שדה קטן של טורבינות רוח על רכס חזקה, וטורבינות רוח בודדות נוספות פזורות בגולן ובגליל. בכורי המחקר הגרעיני (קמ"ג) מיוצר חשמל.

ברחבי ישראל יש שדות רבים של אנרגיה פוטו-וולטאית.

ב-2018 נחנך מתקן באשלים של ייצור חשמל באמצעות טכנולוגיה שנקרא תרמו-סולארית. בינואר של אותה שנה פרסם גם המשרד להגנת הסביבה בישראל תוכנית לייצור חשמל מפסולת.

בישראל מתקימים מחקר ופיתוח ענפים בתחום, ואף ייצור ותפעול תחנות כוח ניסיוניות המתבססות על אנרגיה חלופית.

בתחום הסולארי תרמי: חברת [[[סולל (חברה)|סולל]] מבית שמש, מיצרת תחנות כוח תרמוסולאריות שמבוססות על חימום קיטור על ידי השמש. סולל נמצאת בראש החברות בעולם בתחום. כאשר אין שמש ניתן לחמם את הקיטור על ידי גז או נפט. רוב תחנות הכוח של סולל מצויות בארצות הברית. כמו כן חברת לוז 2 הירושלמית, בשיתוף עם חברה אמריקאית מפתחת ומייצרת מתקנים תרמוסולריים.

בתחום הגיאותרמי: חברת אורמת מיבנה, נחשבת בין החברות המובילות בעולם בתחום הפקת חשמל מאנרגיה גאותרמית. לחברה עשרות מתקנים בכל רחבי העולם.

גם האקדמיה הישראלית עוסקת בנושא. לאחרונה מפתח הטכניון טכנולוגיה בשם ארובות שרב, המייצרת חשמל מאנרגיית רוח מלאכותית, ללא פגיעה בסביבה.

חברת "אקו וייב פאוור" עוסקת בייצור חשמל מגלי הים.

• אנרגיה חלופית
• אנרגיה מתחדשת
• התחממות עולמית
• ננו-אנטנה

• ייצור חשמל, דף שער בספרייה הלאומית