Este artículo detalla la historia de la ingeniería eléctrica .
Mucho antes de que existiera cualquier conocimiento de la electricidad, la gente era consciente de las descargas de los peces eléctricos . Los textos del Antiguo Egipto que datan del 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 naturalistas y médicos de la antigua Grecia , Roma y Arabia volvieron a informar sobre los peces eléctricos milenios después . [1] Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Escribonio Largo , dieron fe del efecto adormecedor de las descargas eléctricas proporcionadas por los bagres eléctricos y los rayos eléctricos , y sabían que dichas descargas podían viajar a lo largo de objetos conductores. [2] A los pacientes con dolencias como la gota o el dolor de cabeza se les indicaba que tocaran los peces eléctricos con la esperanza de que la potente descarga pudiera curarlos. [3] Posiblemente el primer y más cercano acercamiento al descubrimiento de la identidad del rayo , y de la electricidad de cualquier otra fuente, se debe atribuir a los árabes , quienes antes del siglo XV habían aplicado la palabra árabe para rayo ra'ad ( رعد ) al rayo eléctrico . [4]
Las culturas antiguas del Mediterráneo sabían que ciertos objetos, como las varillas de ámbar , podían frotarse con el pelo de un gato para atraer objetos ligeros como las plumas. Tales de Mileto , un antiguo filósofo griego, que escribió alrededor del año 600 a. C., describió una forma de electricidad estática , señalando que frotar el pelo sobre diversas sustancias, como el ámbar , provocaría una atracción particular entre ambas. Observó que los botones de ámbar podían atraer objetos ligeros como el pelo y que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente podían incluso conseguir que saltara una chispa .
Alrededor del año 450 a. C. , Demócrito , un filósofo griego posterior, desarrolló una teoría atómica 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 hay un espacio vacío y que los átomos están en constante movimiento. Se equivocó solo al afirmar que los átomos vienen en diferentes tamaños y formas, y que cada objeto tenía su propio átomo con forma y tamaño. [5] [6]
Un objeto encontrado en Irak en 1938, que data de alrededor del año 250 a. C. y llamado Batería de Bagdad , se asemeja a una celda galvánica y algunos afirman que se utilizó para galvanoplastia en Mesopotamia , aunque no hay evidencia de ello.
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 por el frotamiento del ámbar. [7] Acuñó la palabra neolatina 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 ser frotados. [8] 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. [9]
Otto von Guericke realizó otros trabajos que demostraron la repulsión electrostática. Robert Boyle también publicó trabajos al respecto. [10]
Aunque los fenómenos eléctricos se conocían desde hacía siglos, en el siglo XVIII el estudio sistemático de la electricidad pasó a ser conocido como "la más joven de las ciencias" y el público quedó electrizado por los descubrimientos más recientes en ese campo. [11]
En 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 de éste para crear un vacío suave y frotaba la bola para generar una carga, se veía un resplandor si colocaba su mano en el exterior de la bola. Este resplandor era lo suficientemente brillante como para leer. Parecía ser similar al fuego de San Telmo . Este efecto más tarde se convirtió en la base de la lámpara de descarga de gas , que dio lugar a la iluminación de neón y las lámparas de vapor de mercurio . En 1706 produjo una "máquina de influencia" para generar este efecto. [12] Fue elegido miembro de la Royal Society el mismo año. [13]
Hauksbee continuó experimentando con la electricidad, realizó numerosas observaciones y desarrolló máquinas para generar y demostrar diversos 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 aislantes y conductores. CF du Fay, al observar su trabajo, desarrolló una teoría de la electricidad de "dos fluidos". [10]
En el siglo XVIII, Benjamin Franklin realizó una extensa investigación sobre 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 la cuerda humedecida de una cometa y la hizo volar en un cielo amenazado por una tormenta. [14] Una sucesión de chispas que saltaban de la llave al dorso de su mano demostró que los rayos eran, en efecto, de naturaleza eléctrica. [15] También explicó el comportamiento aparentemente paradójico de la botella de Leyden como dispositivo para almacenar grandes cantidades de carga eléctrica, al idear 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 pasaban señales a los músculos. [10] [16] [17] La batería de Alessandro Volta , o pila voltaica , de 1800, hecha de capas alternadas de zinc y cobre, proporcionó a los científicos una fuente de energía eléctrica más confiable que las máquinas electrostáticas utilizadas anteriormente. [16] [17]
La primera aplicación práctica de la electricidad fue el electromagnetismo . [18] William Sturgeon inventó el electroimán en 1825. [19] Los electroimanes fueron utilizados en la primera aplicación práctica de la ingeniería de la electricidad por William Fothergill Cooke y Charles Wheatstone, quienes desarrollaron conjuntamente un sistema de telégrafo que utilizaba una serie de agujas en un tablero que se movían para señalar las letras del alfabeto. Inicialmente se utilizó un sistema de cinco agujas, pero se abandonó por ser demasiado caro. En 1838, una mejora redujo el número de agujas a dos, y Cooke y Wheatstone solicitaron una patente para esta versión. [20] Cooke probó la invención con las compañías London & Blackwall Railway , London & Birmingham Railway y Great Western Railway , permitiendo sucesivamente el uso de sus líneas para el experimento. Posteriormente, los ferrocarriles desarrollaron sistemas con cajas de señales a lo largo de la línea que se comunicaban con sus cajas vecinas mediante el sonido telegráfico de campanas de un solo golpe e instrumentos telegráficos de agujas de tres posiciones . Este tipo de sistemas que implementan sistemas de bloqueo de señalización se siguieron utilizando en líneas rurales hasta bien entrado el siglo XXI. [21]
La ingeniería eléctrica se convirtió en una profesión a finales del siglo XIX. Los profesionales habían creado una red telegráfica eléctrica mundial y las primeras instituciones de ingeniería eléctrica que apoyaron la nueva disciplina se fundaron en el Reino Unido y los EE. UU. Aunque es imposible señalar con precisión al primer ingeniero eléctrico, Francis Ronalds se encuentra por delante en el campo, quien creó un sistema de telégrafo eléctrico funcional en 1816 y documentó su visión de cómo el mundo podría transformarse mediante la electricidad. [22] [23] 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. [24] La donación de su extensa biblioteca eléctrica fue una bendición considerable para la incipiente Sociedad.
El desarrollo de la base científica de la ingeniería eléctrica, utilizando 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. [26] En la década de 1830, Georg Ohm también construyó una máquina electrostática temprana. El generador homopolar fue desarrollado por primera vez por Michael Faraday durante sus memorables experimentos en 1831. Fue el comienzo de los dinamos modernos, es decir, generadores eléctricos que funcionan utilizando un campo magnético. La invención del generador industrial en 1866 por Werner von Siemens , que no necesitaba energía magnética externa, hizo posible una gran serie de otras invenciones.
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 hasta 1883 que la máquina de Wimshurst se difundió con más detalle a la comunidad científica.
Durante la última parte del siglo XIX, el estudio de la electricidad se consideraba en gran medida 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 del 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. [27] En 1883, la Universidad Tecnológica de Darmstadt y la Universidad de Cornell introdujeron los primeros cursos de estudio del mundo en ingeniería eléctrica y en 1885 el University College de Londres 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. [28]
Durante este período, el uso comercial de la electricidad aumentó drásticamente. A partir de finales de la década de 1870, las ciudades comenzaron a instalar sistemas de alumbrado público eléctrico a gran escala basados en lámparas de arco . [29] Después del desarrollo de una lámpara incandescente práctica para la iluminación interior, Thomas Edison puso en marcha la primera empresa de suministro eléctrico público del mundo en 1882, utilizando lo que se consideraba un sistema de corriente continua de 110 voltios relativamente seguro para abastecer a los clientes. Los avances de ingeniería en la década de 1880, incluida la invención del transformador , llevaron a que las empresas de servicios eléctricos comenzaran a adoptar la corriente alterna , hasta entonces utilizada principalmente en sistemas de iluminación de arco, como estándar de distribución para la iluminación exterior e interior (eventualmente reemplazando la corriente continua para tales fines). En los EE. UU. hubo una rivalidad, principalmente entre un sistema de CA de Westinghouse y el sistema de CC de Edison, conocida como la " guerra de las corrientes ". [30]
"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 ocupado su lugar como compañeras, incluso rivales, de las leyes de la mecánica de Newton. Para entonces, las ecuaciones también se estaban utilizando en la práctica, de manera más espectacular en la nueva tecnología emergente de las comunicaciones por radio, pero también en las industrias del telégrafo, el teléfono y la energía eléctrica". [31] A fines del siglo XIX, comenzaron a surgir figuras en el progreso de la ingeniería eléctrica. [32]
Charles Proteus Steinmetz ayudó a impulsar 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.
Durante el desarrollo de la radio , muchos científicos e inventores contribuyeron a la tecnología de radio y la electrónica. En sus experimentos clásicos de UHF de 1888, Heinrich Hertz demostró la existencia de ondas electromagnéticas ( ondas de radio ) lo que llevó a muchos inventores y científicos a intentar adaptarlas a aplicaciones comerciales, como Guglielmo Marconi (1895) y Alexander Popov (1896).
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. [33] También introdujo el uso de uniones semiconductoras para detectar ondas de radio, [34] cuando patentó el detector de cristal de radio en 1901. [35] [36]
John Fleming inventó el primer tubo de radio, el diodo , en 1904.
Reginald Fessenden reconoció que era necesario generar una onda continua para hacer posible la transmisión del habla y, a finales de 1906, envió la primera transmisión de radio de voz. También en 1906, Robert von Lieben y Lee De Forest desarrollaron de forma independiente el tubo amplificador, llamado triodo . [37] Edwin Howard Armstrong hizo posible la tecnología para la televisión electrónica , en 1931. [38]
A principios de la década de 1920, hubo un creciente interés en el desarrollo de aplicaciones domésticas para la electricidad. [39] El interés público llevó a exposiciones como la que presentaba "hogares del futuro" y en el Reino Unido, se estableció la Asociación Eléctrica para Mujeres con Caroline Haslett como su directora en 1924 para alentar a las mujeres a involucrarse en la ingeniería eléctrica. [40]
La segunda guerra mundial fue testigo de enormes 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 localización por radio , la comunicación por radio y la guía por radio de los aviones se desarrollaron en esta época. Uno de los primeros dispositivos informáticos electrónicos, Colossus , fue construido por Tommy Flowers de la GPO para descifrar los mensajes codificados de la máquina de cifrado alemana de Lorenz . También se desarrollaron en esta época transmisores y receptores de radio clandestinos avanzados para uso de agentes secretos.
Un invento estadounidense de la época fue un dispositivo para descifrar las llamadas telefónicas entre Winston Churchill y Franklin D. Roosevelt . Se lo llamó el sistema Green Hornet y funcionaba insertando ruido en la señal. Luego, el ruido se extraía en el extremo receptor. Los alemanes nunca lograron descifrar este sistema.
En los Estados Unidos se realizó una gran cantidad de trabajos 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 totalmente funcional y programable del mundo. [41]
Antes de la Segunda Guerra Mundial , la disciplina se conocía comúnmente como " ingeniería de radio " y se limitaba principalmente a 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 realizarse como parte de una licenciatura en física.
Más tarde, en los años de posguerra, cuando comenzaron a desarrollarse los dispositivos de consumo, el campo se amplió para incluir televisores modernos, sistemas de audio, equipos de alta fidelidad y, más tarde, computadoras y microprocesadores. En 1946, apareció el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de John Presper Eckert y John Mauchly , lo que dio 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, incluidas las misiones Apolo y el alunizaje de la NASA . [42]
A mediados y fines de la década de 1950, el término ingeniería de radio dio paso gradualmente al nombre de ingeniería electrónica , que luego se convirtió en una materia universitaria independiente, generalmente enseñada junto con la ingeniería eléctrica, con la que se había asociado debido a algunas similitudes.
El primer transistor funcional fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain mientras trabajaban con William Shockley en los Bell Telephone Laboratories (BTL) en 1947. [43] Luego inventaron el transistor de unión bipolar en 1948. [44] Si bien los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en masa , [45] abrieron la puerta a dispositivos más compactos. [46]
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. [47]
En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick accidentalmente hicieron crecer una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, para lo cual observaron efectos de pasivación de la superficie. [48] En 1957, Frosch y Derick, utilizando enmascaramiento y predeposición, publicaron sus transistores planares de dióxido de silicio fabricados, los primeros transistores de efecto de campo en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [49] Demostraron que el dióxido de silicio aislaba, protegía las obleas de silicio y evitaba que los dopantes se difundieran en la oblea. [48] [50]
Después de esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 [51] y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. [52] [53] Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [54] [55] Esta fue la culminación de décadas de investigación sobre el efecto de campo que comenzó con Lilienfeld.
El MOSFET fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. [45] Revolucionó la industria electrónica , [56] [57] convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. [58] [59] [60]
El MOSFET hizo posible construir chips de circuitos integrados de alta densidad . [58] El primer chip IC MOS experimental que se fabricó fue construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA Laboratories en 1962. [61] 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. [62] La tecnología MOS de compuerta de silicio fue desarrollada por Federico Faggin en Fairchild en 1968. [63] Desde entonces, el MOSFET ha sido el componente básico de la electrónica moderna. [64] [65] [66] La producción en masa de MOSFET de silicio y chips de circuitos integrados MOS, junto con la miniaturización de escala continua de MOSFET a un ritmo exponencial (como predijo la ley de Moore ), ha llevado desde entonces a cambios revolucionarios en la tecnología, la economía, la cultura y el pensamiento. [67]
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 avances en tecnología electrónica de semiconductores , incluidos los MOSFET en la Plataforma de Monitoreo Interplanetario (IMP) [68] [69] y chips de circuitos integrados de silicio en la Computadora de Guía Apolo (AGC). [70]
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. [71] [72] El primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , lanzado en 1971. [71] [73] El Intel 4004 fue diseñado y realizado por Federico Faggin en Intel con su tecnología MOS de compuerta de silicio, [71] junto con Marcian Hoff y Stanley Mazor de Intel y Masatoshi Shima de Busicom. [74] 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. [ 75]
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{{cite web}}: Verificar |url=valor ( ayuda )...y el 29 de agosto de 1831 obtuvo la primera evidencia de que una corriente eléctrica puede inducir otra en un circuito diferente.
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda ) reimpreso en Igor Grigorov, Ed., Antentop , Vol. 2, No.3, pp. 87–96.El MOSFET de silicio ha revolucionado la industria electrónica y, como resultado, afecta nuestra vida diaria en casi todas las formas imaginables.
-óxido-semiconductor (MOSFET) es el dispositivo activo más utilizado en la integración a gran escala de circuitos integrados digitales (VLSI). Durante la década de 1970, estos componentes revolucionaron el procesamiento de señales electrónicas, los sistemas de control y las computadoras.
Este artículo incorpora texto de una publicación que ahora es de dominio público : Burnley, James (1887). "Cooke, William Fothergill". En Stephen, Leslie (ed.). Dictionary of National Biography . Vol. 12. Londres: Smith, Elder & Co. pp. 102–103.