Electrotecnia

En el siglo XIX, la investigación sobre el tema comenzó a intensificarse. Entre los avances más notables de este siglo se encuentran los trabajos de Hans Christian Ørsted , quien descubrió en 1820 que una corriente eléctrica produce un campo magnético que desvía la aguja de una brújula; William Sturgeon , quien en 1825 inventó el electroimán ; Joseph Henry y Edward Davy , quienes inventaron el relé eléctrico en 1835; Georg Ohm , quien en 1827 cuantificó la relación entre la corriente eléctrica y la diferencia de potencial en un conductor ; Michael Faraday , descubridor de la inducción electromagnética en 1831; y James Clerk Maxwell , quien en 1873 publicó una teoría unificada de la electricidad y el magnetismo en su tratado Electricidad y magnetismo . ^{[ 3 ]}

En 1782, Georges-Louis Le Sage desarrolló y presentó en Berlín la que probablemente fue la primera forma de telegrafía eléctrica del mundo , utilizando 24 cables diferentes, uno para cada letra del alfabeto. Este telégrafo conectaba dos habitaciones. Era un telégrafo electrostático que transmitía láminas de oro mediante conducción eléctrica.

En 1795, Francisco Salva Campillo propuso un sistema de telégrafo electrostático. Entre 1803 y 1804, trabajó en telegrafía eléctrica y, en 1804, presentó su informe en la Real Academia de Ciencias Naturales y Artes de Barcelona. El sistema de telégrafo electrolítico de Salva fue muy innovador, aunque estuvo fuertemente influenciado y basado en dos descubrimientos realizados en Europa en 1800: la batería eléctrica de Alessandro Volta para generar corriente eléctrica y la electrólisis del agua de William Nicholson y Anthony Carlyle. ^{[ 4 ]} La telegrafía eléctrica puede considerarse el primer ejemplo de ingeniería eléctrica. ^{[ 5 ]} La ingeniería eléctrica se convirtió en una profesión a finales del siglo XIX. Los profesionales habían creado una red global de telégrafo eléctrico y las primeras instituciones profesionales de ingeniería eléctrica se fundaron en el Reino Unido y Estados Unidos para apoyar la nueva disciplina. Francis Ronalds creó un sistema de telégrafo eléctrico en 1816 y documentó su visión de cómo el mundo podría transformarse mediante la electricidad. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Más de 50 años después, se unió a la nueva Sociedad de Ingenieros Telegráficos (que pronto sería renombrada como Institución de Ingenieros Eléctricos ) donde fue considerado por otros miembros como el primero de su cohorte. ^{[ 8 ]} A finales del siglo XIX, el mundo había cambiado para siempre por la rápida comunicación que hizo posible el desarrollo de la ingeniería de líneas terrestres, cables submarinos y, desde aproximadamente 1890, la telegrafía inalámbrica .

Las aplicaciones prácticas y los avances en estos campos generaron una creciente necesidad de unidades de medida estandarizadas . Esto condujo a la estandarización internacional de las unidades voltio , amperio , culombio , ohmio , faradio y henrio . Este logro se alcanzó en una conferencia internacional celebrada en Chicago en 1893. ^{[ 9 ]} La publicación de estas normas sentó las bases para futuros avances en la estandarización de diversas industrias, y en muchos países, las definiciones fueron inmediatamente reconocidas en la legislación pertinente. ^{[ 10 ]}

Durante estos años, el estudio de la electricidad se consideraba en gran medida un subcampo de la física, ya que la tecnología eléctrica temprana se consideraba de naturaleza electromecánica . La Universidad Técnica de Darmstadt fundó el primer departamento de ingeniería eléctrica del mundo en 1882 e introdujo el curso de primer grado en ingeniería eléctrica en 1883. ^{[ 11 ]} El primer programa de grado en ingeniería eléctrica en los Estados Unidos se inició en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en el departamento de física bajo la dirección del profesor Charles Cross, ^{[ 12 ]} aunque fue la Universidad de Cornell la que produjo los primeros graduados en ingeniería eléctrica del mundo en 1885. ^{[ 13 ]} El primer curso de ingeniería eléctrica se impartió en 1883 en el Sibley College of Mechanical Engineering and Mechanic Arts de Cornell . ^{[ 14 ]}

Hacia 1885, el presidente de Cornell, Andrew Dickson White, fundó el primer Departamento de Ingeniería Eléctrica en los Estados Unidos. ^{[ 15 ]} Ese mismo año, el University College de Londres fundó la primera cátedra de ingeniería eléctrica en Gran Bretaña. ^{[ 16 ]} El profesor Mendell P. Weinbach de la Universidad de Missouri fundó el departamento de ingeniería eléctrica en 1886. ^{[ 17 ]} Posteriormente, universidades e institutos tecnológicos comenzaron gradualmente a ofrecer programas de ingeniería eléctrica a sus estudiantes en todo el mundo.

Durante estas décadas, el uso de la ingeniería eléctrica aumentó drásticamente. En 1882, Thomas Edison puso en marcha la primera red eléctrica a gran escala del mundo, que proporcionaba 110 voltios ( corriente continua ) a 59 clientes en la isla de Manhattan , en la ciudad de Nueva York. En 1884, Sir Charles Parsons inventó la turbina de vapor, lo que permitió una generación de energía eléctrica más eficiente. La corriente alterna , con su capacidad para transmitir energía de forma más eficiente a largas distancias mediante el uso de transformadores , se desarrolló rápidamente en las décadas de 1880 y 1890 con diseños de transformadores de Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy y Miksa Déri (más tarde llamados transformadores ZBD), Lucien Gaulard , John Dixon Gibbs y William Stanley Jr. Los diseños prácticos de motores de CA, incluidos los motores de inducción, fueron inventados independientemente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla , y desarrollados posteriormente en una forma práctica trifásica por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky y Charles Eugene Lancelot Brown . ^{[ 18 ]} Charles Steinmetz y Oliver Heaviside contribuyeron a la base teórica de la ingeniería de corriente alterna. ^{[ 19 ] [ 20 ]} La difusión del uso de la CA desencadenó en los Estados Unidos lo que se ha llamado la guerra de las corrientes entre un sistema de CA respaldado por George Westinghouse y un sistema de energía de CC respaldado por Thomas Edison, adoptándose la CA como el estándar general. ^{[ 21 ]}

Durante el desarrollo de la radio , numerosos científicos e inventores contribuyeron a la tecnología radioeléctrica y la electrónica. El trabajo matemático de James Clerk Maxwell en la década de 1850 demostró la relación entre diferentes formas de radiación electromagnética , incluyendo la posibilidad de ondas invisibles transmitidas por el aire (más tarde llamadas "ondas de radio"). En sus experimentos clásicos de física de 1888, Heinrich Hertz demostró la teoría de Maxwell al transmitir ondas de radio con un transmisor de chispa y detectarlas mediante dispositivos eléctricos sencillos. Otros físicos experimentaron con estas nuevas ondas y, en el proceso, desarrollaron dispositivos para transmitirlas y detectarlas. En 1895, Guglielmo Marconi comenzó a trabajar en una forma de adaptar los métodos conocidos de transmisión y detección de estas "ondas hertzianas" a un sistema telegráfico inalámbrico comercial diseñado específicamente para ello . Inicialmente, envió señales inalámbricas a una distancia de dos kilómetros y medio. En diciembre de 1901, envió ondas inalámbricas que no se veían afectadas por la curvatura de la Tierra. Más tarde, Marconi transmitió las señales inalámbricas a través del Atlántico entre Poldhu, Cornualles , y St. John's, Terranova , una distancia de 2100 millas (3400 km) . ^{[ 22 ]} 

La comunicación por ondas milimétricas fue investigada por primera vez por Jagadish Chandra Bose entre 1894 y 1896, cuando alcanzó una frecuencia extremadamente alta de hasta 60 GHz en sus experimentos. ^{[ 23 ]} También introdujo el uso de uniones semiconductoras para detectar ondas de radio, ^{[ 24 ]} cuando patentó el detector de cristal de radio en 1901. ^{[ 25 ] [ 26 ]} 

En 1897, Karl Ferdinand Braun introdujo el tubo de rayos catódicos como parte de un osciloscopio , una tecnología crucial para la televisión electrónica . ^{[ 27 ]} John Fleming inventó el primer tubo de radio, el diodo , en 1904. Dos años más tarde, Robert von Lieben y Lee De Forest desarrollaron independientemente el tubo amplificador, llamado triodo . ^{[ 28 ]}

En 1920, Albert Hull desarrolló el magnetrón, que eventualmente conduciría al desarrollo del horno de microondas en 1946 por Percy Spencer . ^{[ 29 ] [ 30 ]} En 1934, el ejército británico comenzó a avanzar hacia el radar (que también utiliza el magnetrón) bajo la dirección del Dr. Wimperis, culminando en la operación de la primera estación de radar en Bawdsey en agosto de 1936. ^{[ 31 ]}

En 1941, Konrad Zuse presentó la Z3 , la primera computadora totalmente funcional y programable del mundo que utilizaba componentes electromecánicos. En 1943, Tommy Flowers diseñó y construyó la Colossus , la primera computadora totalmente funcional, electrónica, digital y programable del mundo. ^{[ 32 ] [ 33 ]} En 1946, le siguió la ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de John Presper Eckert y John Mauchly , dando inicio a la era de la computación. El rendimiento aritmético de estas máquinas permitió a los ingenieros desarrollar tecnologías completamente nuevas y alcanzar nuevos objetivos. ^{[ 34 ]}

En 1948, Claude Shannon publicó "Una teoría matemática de la comunicación", que describe matemáticamente el paso de información con incertidumbre ( ruido eléctrico ).

El primer transistor funcional fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain mientras trabajaban bajo la dirección de William Shockley en los Laboratorios Bell Telephone (BTL) en 1947. ^{[ 35 ]} Posteriormente, en 1948, inventaron el transistor de unión bipolar. ^{[ 36 ]} Si bien los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos y difíciles de fabricar en masa , ^{[ 37 ]} abrieron la puerta a dispositivos más compactos. ^{[ 38 ]}

Los primeros circuitos integrados fueron el circuito integrado híbrido inventado por Jack Kilby en Texas Instruments en 1958 y el chip de circuito integrado monolítico inventado por Robert Noyce en Fairchild Semiconductor en 1959. ^{[ 39 ]}

El MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, o transistor MOS) fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en BTL en 1959. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} Fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo ser miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de usos. ^{[ 37 ]} Revolucionó la industria electrónica , ^{[ 43 ] [ 44 ]} convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. ^{[ 41 ] [ 45 ] [ 46 ]}

El MOSFET hizo posible la construcción de chips de circuitos integrados de alta densidad . ^{[ 41 ]} El primer chip IC MOS experimental fabricado fue construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en los Laboratorios RCA en 1962. ^{[ 47 ]} La tecnología MOS permitió la ley de Moore , la duplicación de transistores en un chip IC cada dos años, predicha por Gordon Moore en 1965. ^{[ 48 ]} La tecnología MOS de puerta de silicio fue desarrollada por Federico Faggin en Fairchild en 1968. ^{[ 49 ]} Desde entonces, el MOSFET ha sido el bloque de construcción básico de la electrónica moderna. ^{[ 42 ] [ 50 ] [ 51 ]} La producción en masa de MOSFET de silicio y chips de circuitos integrados MOS, junto con la miniaturización continua del MOSFET a un ritmo exponencial (como predijo la ley de Moore), ha llevado a cambios revolucionarios en la tecnología, la economía, la cultura y el pensamiento. ^{[ 52 ]}

El programa Apolo , que culminó con el alunizaje de astronautas en la Luna con el Apolo 11 en 1969, fue posible gracias a la adopción por parte de la NASA de avances en la tecnología electrónica de semiconductores , incluidos los MOSFET en la Plataforma de Monitoreo Interplanetario (IMP) ^{[ 53 ] [ 54 ]} y los chips de circuitos integrados de silicio en la Computadora de Guía del Apolo (AGC). ^{[ 55 ]}

El desarrollo de la tecnología de circuitos integrados MOS en la década de 1960 condujo a la invención del microprocesador a principios de la década de 1970. ^{[ 56 ] [ 57 ]} El primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , lanzado en 1971. ^{[ 56 ]} El Intel 4004 fue diseñado y realizado por Federico Faggin en Intel con su tecnología MOS de puerta de silicio, ^{[ 56 ]} junto con Marcian Hoff y Stanley Mazor de Intel y Masatoshi Shima de Busicom. ^{[ 58 ]} El microprocesador condujo al desarrollo de microcomputadoras y computadoras personales, y a la revolución de las microcomputadoras .

En los últimos tiempos, el campo del aprendizaje automático (que incluye sistemas de voz, visión artificial y aprendizaje por refuerzo ) se ha solapado significativamente con áreas de la ingeniería eléctrica como el procesamiento de señales, el procesamiento de imágenes y la ingeniería de control, y, por lo tanto, es estudiado frecuentemente por ingenieros eléctricos. Las técnicas de aprendizaje automático también se utilizan en sistemas de ingeniería eléctrica en subcampos como la automatización del diseño electrónico, el control estocástico y adaptativo, las redes inteligentes, el procesamiento adaptativo de señales, etc.

La ingeniería de potencia y energía se ocupa de la generación , transmisión y distribución de electricidad, así como del diseño de una variedad de dispositivos relacionados. ^{[ 59 ]} Estos incluyen transformadores , generadores eléctricos , motores eléctricos , ingeniería de alta tensión y electrónica de potencia . En muchas regiones del mundo, los gobiernos mantienen una red eléctrica llamada red eléctrica que conecta una variedad de generadores con los usuarios de su energía. Los usuarios compran energía eléctrica de la red, evitando el costoso proceso de tener que generarla ellos mismos. Los ingenieros de potencia pueden trabajar en el diseño y mantenimiento de la red eléctrica, así como de los sistemas de potencia que se conectan a ella. ^{[ 60 ]} Dichos sistemas se denominan sistemas de potencia conectados a la red y pueden suministrar potencia adicional a la red, tomar potencia de la red o hacer ambas cosas. Los ingenieros de potencia también pueden trabajar en sistemas que no se conectan a la red, denominados sistemas de potencia fuera de la red , que en algunos casos son preferibles a los sistemas conectados a la red.

La ingeniería de telecomunicaciones se centra en la transmisión de información a través de un canal de comunicación como un cable coaxial , fibra óptica o el espacio libre . ^{[ 61 ]} Las transmisiones a través del espacio libre requieren que la información se codifique en una señal portadora para desplazar la información a una frecuencia portadora adecuada para la transmisión; esto se conoce como modulación . Las técnicas de modulación analógica más populares incluyen la modulación de amplitud y la modulación de frecuencia . ^{[ 62 ]} La elección de la modulación afecta el costo y el rendimiento de un sistema, y ​​estos dos factores deben ser cuidadosamente equilibrados por el ingeniero.

Once the transmission characteristics of a system are determined, telecommunication engineers design the transmitters and receivers needed for such systems. These two are sometimes combined to form a two-way communication device known as a transceiver. A key consideration in the design of transmitters is their power consumption as this is closely related to their signal strength.^[63][64] Typically, if the power of the transmitted signal is insufficient once the signal arrives at the receiver's antenna(s), the information contained in the signal will be corrupted by noise, specifically static.

Control engineering focuses on the modeling of a diverse range of dynamic systems and the design of controllers that will cause these systems to behave in the desired manner.^[65] To implement such controllers, electronics control engineers may use electronic circuits, digital signal processors, microcontrollers, and programmable logic controllers (PLCs). Control engineering has a wide range of applications from the flight and propulsion systems of commercial airliners to the cruise control present in many modern automobiles.^[66] It also plays an important role in industrial automation.

Control engineers often use feedback when designing control systems. For example, in an automobile with cruise control, the vehicle's speed is continuously monitored and fed back to the system, which adjusts the motor'spower output accordingly.^[67] Where there is regular feedback, control theory can be used to determine how the system responds to such feedback.

Control engineers also work in robotics to design autonomous systems using control algorithms which interpret sensory feedback to control actuators that move robots such as autonomous vehicles, autonomous drones and others used in a variety of industries.^[68]

La ingeniería electrónica abarca el diseño y la prueba de circuitos electrónicos que utilizan las propiedades de componentes como resistencias , condensadores , inductores , diodos y transistores para lograr una funcionalidad específica. ^{[ 60 ]} El circuito sintonizado , que permite al usuario de una radio filtrar todas las emisoras excepto una, es solo un ejemplo de este tipo de circuito. Otro ejemplo para investigar es un acondicionador de señal neumático.

Antes de la Segunda Guerra Mundial, la materia se conocía comúnmente como ingeniería de radio y básicamente se limitaba a aspectos de comunicaciones y radar , radio comercial y televisión temprana . ^{[ 60 ]} Posteriormente, en los años de la posguerra, a medida que comenzaron a desarrollarse los dispositivos de consumo, el campo se amplió para incluir la televisión moderna, los sistemas de audio, las computadoras y los microprocesadores . A mediados y finales de la década de 1950, el término ingeniería de radio fue dando paso gradualmente al nombre de ingeniería electrónica .

Antes de la invención del circuito integrado en 1959, ^{[ 69 ]} los circuitos electrónicos se construían a partir de componentes discretos que podían ser manipulados por humanos. Estos circuitos discretos consumían mucho espacio y energía , y su velocidad era limitada, aunque todavía se utilizan en algunas aplicaciones. En cambio, los circuitos integrados agruparon una gran cantidad —a menudo millones— de diminutos componentes eléctricos, principalmente transistores , ^{[ 70 ]} en un pequeño chip del tamaño aproximado de una moneda . Esto permitió la creación de las potentes computadoras y otros dispositivos electrónicos que vemos hoy en día.

La ingeniería microelectrónica se ocupa del diseño y la microfabricación de componentes electrónicos muy pequeños para su uso en un circuito integrado o, en ocasiones, como componentes electrónicos independientes. ^{[ 71 ]} Los componentes microelectrónicos más comunes son los transistores semiconductores , aunque todos los componentes electrónicos principales ( resistencias , condensadores , etc.) pueden crearse a nivel microscópico.

La nanoelectrónica consiste en la reducción aún mayor de los dispositivos a niveles nanométricos . Los dispositivos modernos ya se encuentran en el régimen nanométrico, y  el procesamiento por debajo de los 100 nm ha sido estándar desde alrededor de 2002. ^{[ 72 ]}

Los componentes microelectrónicos se crean mediante la fabricación química de obleas de semiconductores como el silicio (a frecuencias más altas, se pueden usar semiconductores compuestos como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio) para obtener el transporte deseado de carga y corriente eléctrica. El campo de la microelectrónica implica una cantidad significativa de química y ciencia de los materiales, y requiere que el ingeniero electrónico tenga un conocimiento práctico de los efectos de la mecánica cuántica . ^{[ 73 ]}

El procesamiento de señales se ocupa del análisis y la manipulación de señales . ^{[ 74 ]} Las señales pueden ser analógicas , en cuyo caso la señal varía continuamente según la información, o digitales , en cuyo caso la señal varía según una serie de valores discretos que representan la información. Para las señales analógicas, el procesamiento de señales puede incluir la amplificación y el filtrado de señales de audio para equipos de audio o la modulación y demodulación de señales para telecomunicaciones. Para las señales digitales, el procesamiento de señales puede incluir la compresión , la detección de errores y la corrección de errores de señales muestreadas digitalmente. ^{[ 75 ]}

El procesamiento de señales es un área con una fuerte base matemática que constituye el núcleo del procesamiento digital de señales y se está expandiendo rápidamente con nuevas aplicaciones en diversos campos de la ingeniería eléctrica, como comunicaciones, control, radar, ingeniería de audio , ingeniería de radiodifusión , electrónica de potencia e ingeniería biomédica , a medida que muchos sistemas analógicos existentes se reemplazan por sus contrapartes digitales. El procesamiento de señales analógicas sigue siendo importante en el diseño de muchos sistemas de control .

Los circuitos integrados de procesadores DSP se encuentran en muchos tipos de dispositivos electrónicos modernos, como televisores digitales , ^{[ 76 ]} radios, equipos de audio de alta fidelidad , teléfonos móviles, reproductores multimedia , videocámaras y cámaras digitales, sistemas de control de automóviles, auriculares con cancelación de ruido , analizadores de espectro digital , sistemas de guiado de misiles, sistemas de radar y sistemas telemáticos . En estos productos, el DSP puede ser responsable de la reducción de ruido , el reconocimiento o la síntesis de voz , la codificación o decodificación de medios digitales, la transmisión o recepción inalámbrica de datos, la triangulación de posiciones mediante GPS y otros tipos de procesamiento de imágenes , vídeo , audio y voz . ^{[ 77 ]}

La ingeniería de instrumentación se ocupa del diseño de dispositivos para medir magnitudes físicas como la presión , el caudal y la temperatura. ^{[ 78 ]} El diseño de dichos instrumentos requiere un buen conocimiento de la física , que a menudo va más allá de la teoría electromagnética . Por ejemplo, los instrumentos de vuelo miden variables como la velocidad del viento y la altitud para que los pilotos puedan controlar la aeronave analíticamente. Del mismo modo, los termopares utilizan el efecto Peltier-Seebeck para medir la diferencia de temperatura entre dos puntos. ^{[ 79 ]}

A menudo, la instrumentación no se utiliza de forma aislada, sino como sensores de sistemas eléctricos más amplios. Por ejemplo, un termopar podría utilizarse para garantizar que la temperatura de un horno se mantenga constante. ^{[ 80 ]} Por esta razón, la ingeniería de instrumentación suele considerarse la contraparte del control.

La ingeniería informática se ocupa del diseño de ordenadores y sistemas informáticos . Esto puede implicar el diseño de nuevo hardware . Los ingenieros informáticos también pueden trabajar en el software de un sistema. Sin embargo, el diseño de sistemas de software complejos suele ser dominio de la ingeniería de software, que generalmente se considera una disciplina aparte. ^{[ 81 ]} Los ordenadores de sobremesa representan una pequeña fracción de los dispositivos en los que podría trabajar un ingeniero informático, ya que las arquitecturas similares a las de los ordenadores se encuentran ahora en una variedad de dispositivos integrados , incluidas las consolas de videojuegos y los reproductores de DVD . Los ingenieros informáticos participan en muchos aspectos de hardware y software de la informática. ^{[ 82 ]} Los robots son una de las aplicaciones de la ingeniería informática.

La fotónica y la óptica se ocupan de la generación, transmisión, amplificación, modulación, detección y análisis de la radiación electromagnética . La óptica se centra en el diseño de instrumentos ópticos como lentes , microscopios , telescopios y otros equipos que utilizan las propiedades de la radiación electromagnética. Otras aplicaciones destacadas de la óptica incluyen sensores y sistemas de medición electroópticos , láseres , sistemas de comunicación por fibra óptica y sistemas de discos ópticos (por ejemplo, CD y DVD). La fotónica se basa en gran medida en la tecnología óptica, complementada con desarrollos modernos como la optoelectrónica (principalmente semiconductores ), sistemas láser, amplificadores ópticos y nuevos materiales (por ejemplo , metamateriales ).