Historia de la ingeniería eléctrica

Este artículo detalla la historia de la ingeniería eléctrica.

Desarrollos antiguos

Mucho antes de que existiera el conocimiento de la electricidad, la gente era consciente de las descargas de los peces eléctricos. Los textos del antiguo Egipto que datan de 2750 a. C. se referían a estos peces como el "Tronador del Nilo" y los describían como los "protectores" de todos los demás peces. Los peces eléctricos fueron nuevamente reportados milenios después por los antiguos naturalistas y médicos griegos, romanos y árabes. Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Scribonius Largus, atestiguaron el efecto adormecedor de las descargas eléctricas producidas por el bagre eléctrico y los rayos eléctricos, y sabían que tales descargas podían viajar a lo largo de objetos conductores. A los pacientes que sufrían dolencias como gota o dolor de cabeza se les indicó que tocaran peces eléctricos con la esperanza de que la poderosa sacudida pudiera curarlos.Posiblemente, el primer y más cercano acercamiento al descubrimiento de la identidad de los relámpagos y la electricidad de cualquier otra fuente se debe a los árabes, quienes antes del siglo XV tenían la palabra árabe para relámpagos ra'ad (رعد ‎) aplicada a el rayo electrico.

Las culturas antiguas del Mediterráneo sabían que ciertos objetos, como las varillas de ámbar, podían frotarse con piel de gato para atraer objetos ligeros como plumas. Tales de Mileto, un antiguo filósofo griego, escribió alrededor del año 600 a. C., describió una forma de electricidad estática y señaló que frotar pieles sobre varias sustancias, como el ámbar, causaría una atracción particular entre los dos. Observó que los botones de ámbar podían atraer objetos ligeros como el cabello y que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso podían hacer saltar una chispa.

Alrededor del año 450 a. C., Demócrito, un filósofo griego posterior, desarrolló una teoría atómica que era similar a la teoría atómica moderna. A su mentor, Leucipo, se le atribuye esta misma teoría. La hipótesis de Leucipo y Demócrito sostenía que todo estaba compuesto de átomos. Pero estos átomos, llamados "átomos", eran indivisibles e indestructibles. Afirmó proféticamente que entre los átomos se encuentra el espacio vacío y que los átomos están en constante movimiento. Solo se equivocó al afirmar que los átomos vienen en diferentes tamaños y formas, y que cada objeto tenía su propio átomo de forma y tamaño.

Un objeto encontrado en Irak en 1938, fechado alrededor del 250 a. C. y llamado Batería de Bagdad, se asemeja a una celda galvánica y algunos afirman que se usó para galvanoplastia en Mesopotamia, aunque no hay evidencia de esto.

Desarrollos del siglo XVII

La electricidad seguiría siendo poco más que una curiosidad intelectual durante milenios. En 1600, el científico inglés William Gilbert amplió el estudio de Cardano sobre la electricidad y el magnetismo, distinguiendo el efecto imán de la electricidad estática producida al frotar ámbar. Acuñó la palabra latina nueva electricus ("de ámbar" o "como el ámbar", de ήλεκτρον [ elektron ], la palabra griega para "ámbar") para referirse a la propiedad de atraer objetos pequeños después de frotarlos. Esta asociación dio lugar a las palabras inglesas "electric" y "electricity", que hicieron su primera aparición impresa en Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne de 1646.

Otto von Guericke realizó más trabajos y mostró repulsión electrostática. Robert Boyle también publicó trabajos.

Desarrollos del siglo 18

Aunque los fenómenos eléctricos se conocen desde hace siglos, en el siglo XVIII, el estudio sistemático de la electricidad se conoció como "la más joven de las ciencias", y el público se emocionó con los descubrimientos más recientes en el campo.

Para 1705, Francis Hauksbee había descubierto que si colocaba una pequeña cantidad de mercurio en el vidrio de su versión modificada del generador de Otto von Guericke, evacuaba el aire para crear un vacío suave y frotaba la bola para acumular una carga., un brillo era visible si colocaba su mano en la parte exterior de la pelota. Este resplandor era lo suficientemente brillante como para leer. Parecía ser similar a St. Elmo's Fire. Este efecto se convirtió más tarde en la base de la lámpara de descarga de gas, que condujo a la iluminación de neón y las lámparas de vapor de mercurio. En 1706 produjo una 'máquina de influencia' para generar este efecto. Fue elegido miembro de la Royal Society el mismo año.

Hauksbee continuó experimentando con la electricidad, realizando numerosas observaciones y desarrollando máquinas para generar y demostrar varios fenómenos eléctricos. En 1709 publicó Experimentos físico-mecánicos sobre diversos temas, que resumía gran parte de su trabajo científico.

Stephen Gray descubrió la importancia de los aisladores y conductores. CF du Fay, al ver su trabajo, desarrolló una teoría de la electricidad de "dos fluidos".

En el siglo XVIII, Benjamin Franklin realizó una extensa investigación sobre la electricidad y vendió sus posesiones para financiar su trabajo. En junio de 1752, se dice que colocó una llave de metal en la parte inferior de una cuerda de cometa humedecida y voló la cometa en un cielo amenazado por tormentas. Una sucesión de chispas saltando de la llave al dorso de su mano mostró que los rayos eran de naturaleza eléctrica. También explicó el comportamiento aparentemente paradójico de la botella de Leyden como un dispositivo para almacenar grandes cantidades de carga eléctrica, al presentar la teoría de la electricidad de un solo fluido y dos estados.

En 1791, el italiano Luigi Galvani publicó su descubrimiento de la bioelectricidad, demostrando que la electricidad era el medio por el cual las células nerviosas transmitían señales a los músculos. La batería de Alessandro Volta, o pila voltaica, de 1800, hecha de capas alternas de zinc y cobre, proporcionó a los científicos una fuente de energía eléctrica más confiable que las máquinas electrostáticas utilizadas anteriormente.

Desarrollos del siglo XIX

La ingeniería eléctrica se convirtió en una profesión a finales del siglo XIX. Los practicantes habían creado una red global de telégrafo eléctrico y las primeras instituciones de ingeniería eléctrica para apoyar la nueva disciplina se fundaron en el Reino Unido y los Estados Unidos. Aunque es imposible identificar con precisión a un primer ingeniero eléctrico, Francis Ronalds se encuentra por delante del campo, quien creó un sistema de telégrafo eléctrico en funcionamiento en 1816 y documentó su visión de cómo la electricidad podría transformar el mundo. Más de 50 años después, se unió a la nueva Sociedad de Ingenieros Telegráficos (que pronto pasaría a llamarse Institución de Ingenieros Eléctricos), donde otros miembros lo consideraban el primero de su cohorte. La donación de su extensa biblioteca eléctrica fue una gran ayuda para la incipiente Sociedad.

El desarrollo de la base científica para la ingeniería eléctrica, con las herramientas de las modernas técnicas de investigación, se intensificó durante el siglo XIX. Los desarrollos notables a principios de este siglo incluyen el trabajo de Georg Ohm, quien en 1827 cuantificó la relación entre la corriente eléctrica y la diferencia de potencial en un conductor, Michael Faraday, el descubridor de la inducción electromagnética en 1831.En la década de 1830, Georg Ohm también construyó una de las primeras máquinas electrostáticas. El generador homopolar fue desarrollado por primera vez por Michael Faraday durante sus memorables experimentos en 1831. Fue el comienzo de las dínamos modernas, es decir, los generadores eléctricos que funcionan con un campo magnético. La invención del generador industrial, que no necesitaba energía magnética externa en 1866 por Werner von Siemens, hizo posible una gran serie de otras invenciones posteriores.

En 1873, James Clerk Maxwell publicó un tratamiento unificado de la electricidad y el magnetismo en Tratado sobre electricidad y magnetismo, que estimuló a varios teóricos a pensar en términos de campos descritos por las ecuaciones de Maxwell. En 1878, el inventor británico James Wimshurst desarrolló un aparato que tenía dos discos de vidrio montados sobre dos ejes. No fue sino hasta 1883 que la máquina de Wimshurst se informó más detalladamente a la comunidad científica.

Durante la última parte del siglo XIX, el estudio de la electricidad se consideraba en gran medida como un subcampo de la física. No fue hasta finales del siglo XIX que las universidades comenzaron a ofrecer títulos en ingeniería eléctrica. En 1882, la Universidad Tecnológica de Darmstadt fundó la primera cátedra y la primera facultad de ingeniería eléctrica en todo el mundo. En el mismo año, bajo la dirección del profesor Charles Cross, el Instituto Tecnológico de Massachusetts comenzó a ofrecer la primera opción de Ingeniería Eléctrica dentro de un departamento de física.En 1883, la Universidad Tecnológica de Darmstadt y la Universidad de Cornell introdujeron los primeros cursos de estudio de ingeniería eléctrica del mundo y en 1885 el University College London fundó la primera cátedra de ingeniería eléctrica en el Reino Unido. Posteriormente, la Universidad de Missouri estableció el primer departamento de ingeniería eléctrica en los Estados Unidos en 1886.

Durante este período, el uso comercial de la electricidad aumentó drásticamente. A fines de la década de 1870, las ciudades comenzaron a instalar sistemas de alumbrado público eléctrico a gran escala basados ​​en lámparas de arco.Después del desarrollo de una práctica lámpara incandescente para iluminación interior, Thomas Edison encendió la primera empresa pública de suministro eléctrico del mundo en 1882, utilizando lo que se consideraba un sistema de corriente continua de 110 voltios relativamente seguro para suministrar a los clientes. Los avances de la ingeniería en la década de 1880, incluida la invención del transformador, llevaron a las empresas eléctricas a comenzar a adoptar la corriente alterna, hasta entonces utilizada principalmente en los sistemas de iluminación de arco, como un estándar de distribución para la iluminación exterior e interior (que finalmente reemplazó la corriente continua para tales fines).). En los EE. UU. hubo una rivalidad, principalmente entre Westinghouse AC y el sistema Edison DC conocido como la "guerra de las corrientes".

"A mediados de la década de 1890, las cuatro "ecuaciones de Maxwell" fueron reconocidas como la base de una de las teorías más sólidas y exitosas de toda la física; habían tomado su lugar como compañeras, incluso rivales, de las leyes de la mecánica de Newton. Las ecuaciones para entonces también se estaban poniendo en práctica, más dramáticamente en la nueva tecnología emergente de las comunicaciones por radio, pero también en las industrias del telégrafo, el teléfono y la energía eléctrica". A fines del siglo XIX, comenzaron a surgir figuras en el progreso de la ingeniería eléctrica.

Charles Proteus Steinmetz ayudó a fomentar el desarrollo de la corriente alterna que hizo posible la expansión de la industria de la energía eléctrica en los Estados Unidos, formulando teorías matemáticas para ingenieros.

Aparición de la radio y la electrónica.

Durante el desarrollo de la radio, muchos científicos e inventores contribuyeron a la tecnología de radio y la electrónica. En sus clásicos experimentos UHF de 1888, Heinrich Hertz demostró la existencia de ondas electromagnéticas (ondas de radio) lo que llevó a muchos inventores y científicos a tratar de adaptarlas a aplicaciones comerciales, como Guglielmo Marconi (1895) y Alexander Popov (1896).

La comunicación de ondas milimétricas fue investigada por primera vez por Jagadish Chandra Bose durante 1894-1896, cuando alcanzó una frecuencia extremadamente alta de hasta 60 GHz en sus experimentos. También introdujo el uso de uniones de semiconductores para detectar ondas de radio, cuando patentó el detector de cristal de radio en 1901.

Desarrollos del siglo 20

John Fleming inventó el primer tubo de radio, el diodo, en 1904.

Reginald Fessenden reconoció que se necesitaba generar una onda continua para hacer posible la transmisión del habla y, a fines de 1906, envió la primera transmisión de voz por radio. También en 1906, Robert von Lieben y Lee De Forest desarrollaron de forma independiente el tubo amplificador, llamado triodo. Edwin Howard Armstrong habilitando la tecnología para la televisión electrónica, en 1931.

A principios de la década de 1920, hubo un interés creciente en el desarrollo de aplicaciones domésticas para la electricidad. El interés público condujo a exhibiciones como las "casas del futuro" y en el Reino Unido, la Asociación Eléctrica para Mujeres se estableció con Caroline Haslett como su directora en 1924 para alentar a las mujeres a involucrarse en la ingeniería eléctrica.

Años de la segunda guerra mundial

La Segunda Guerra Mundial vio tremendos avances en el campo de la electrónica; especialmente en el radar y con la invención del magnetrón por Randall y Boot en la Universidad de Birmingham en 1940. La ubicación por radio, la comunicación por radio y la guía por radio de aeronaves se desarrollaron en este momento. Colossus, uno de los primeros dispositivos informáticos electrónicos, fue construido por Tommy Flowers de GPO para descifrar los mensajes codificados de la máquina de cifrado alemana Lorenz. También se desarrollaron en este momento transmisores y receptores de radio clandestinos avanzados para uso de agentes secretos.

Una invención estadounidense en ese momento fue un dispositivo para codificar las llamadas telefónicas entre Winston Churchill y Franklin D. Roosevelt. Esto se llamó el sistema Green Hornet y funcionó insertando ruido en la señal. Luego, el ruido se extrajo en el extremo receptor. Este sistema nunca fue roto por los alemanes.

Se llevó a cabo una gran cantidad de trabajo en los Estados Unidos como parte del Programa de entrenamiento de guerra en las áreas de radiogoniometría, redes lineales pulsadas, modulación de frecuencia, circuitos de tubos de vacío, teoría de líneas de transmisión y fundamentos de ingeniería electromagnética. Estos estudios se publicaron poco después de la guerra en lo que se conoció como la 'Serie de comunicación por radio' publicada por McGraw-Hill en 1946.

En 1941, Konrad Zuse presentó el Z3, el primer ordenador programable y totalmente funcional del mundo.

Años de posguerra

Antes de la Segunda Guerra Mundial, el tema se conocía comúnmente como "ingeniería de radio" y se restringía principalmente a los aspectos de las comunicaciones y el radar, la radio comercial y la televisión temprana. En ese momento, el estudio de la ingeniería de radio en las universidades solo podía emprenderse como parte de un título en física.

Más tarde, en los años de la posguerra, cuando comenzaron a desarrollarse los dispositivos de consumo, el campo se amplió para incluir televisores modernos, sistemas de audio, Hi-Fi y, más tarde, computadoras y microprocesadores. En 1946 siguió el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de John Presper Eckert y John Mauchly, comenzando la era de la computación. El rendimiento aritmético de estas máquinas permitió a los ingenieros desarrollar tecnologías completamente nuevas y lograr nuevos objetivos, incluidas las misiones Apolo y el alunizaje de la NASA.

A mediados y finales de la década de 1950, el término ingeniería de radio dio paso gradualmente al nombre de ingeniería electrónica, que luego se convirtió en una asignatura universitaria independiente, que generalmente se enseña junto con la ingeniería eléctrica con la que se había asociado debido a algunas similitudes.

Electrónica de estado sólido

El primer transistor en funcionamiento fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain mientras trabajaban con William Shockley en Bell Telephone Laboratories (BTL) en 1947. Luego inventaron el transistor de unión bipolar en 1948. Mientras que los primeros transistores de unión eran relativamente dispositivos voluminosos que eran difíciles de fabricar en masa, abrieron la puerta a dispositivos más compactos.

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.

El MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal o transistor MOS) fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en BTL en 1959. Fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. Revolucionó la industria electrónica, convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo.

• John Bardeen, William Shockley, Walter Brattain - transistor (1947)
• Mohamed M. Atalla - pasivación de silicio (1957) y transistor MOSFET (1959)
• Robert Noyce - chip de circuito integrado monolítico (1959)
• Dawon Kahng - Transistor MOSFET (1959)
• Gordon Moore -Ley de Moore (1965)
• Federico Faggin - MOSFET de puerta de silicio (1968) y microprocesador (1971)
• Marcian Hoff - microprocesador (1971)
• Masatoshi Shima, Stanley Mazor - microprocesador (1971)

El MOSFET hizo posible construir chips de circuitos integrados de alta densidad. Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA Laboratories construyeron el primer chip IC MOS experimental que se fabricó en 1962. 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. La tecnología gate MOS fue desarrollada por Federico Faggin en Fairchild en 1968. Desde entonces, el MOSFET ha sido el componente básico de la electrónica moderna. La producción en masa de MOSFET de silicio y chips de circuitos integrados MOS, junto con la miniaturización de MOSFET de escala continua a un ritmo exponencial (como predice la ley de Moore), ha llevado desde entonces a cambios revolucionarios en la tecnología, la economía, la cultura y el pensamiento.

El programa Apolo, que culminó con el aterrizaje de astronautas en la Luna con el Apolo 11 en 1969, fue posible gracias a la adopción por parte de la NASA de los avances en la tecnología electrónica de semiconductores, incluidos los MOSFET en la Plataforma de Monitoreo Interplanetario (IMP) y los chips de circuitos integrados de silicio en la Computadora de Orientación Apolo (AGC).).

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. El primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004, lanzado en 1971. El Intel 4004 fue diseñado y realizado por Federico Faggin en Intel con su tecnología MOS de puerta de silicio, junto con Marcian Hoff y Stanley Mazor de Intel y Masatoshi Shima de Busicom. Esto encendió el desarrollo de la computadora personal. El 4004, un procesador de 4 bits, fue seguido en 1973 por el Intel 8080, un procesador de 8 bits, que hizo posible la construcción de la primera computadora personal, la Altair 8800.