En ingeniería , la electromecánica [1] [2] [3] [4] combina procesos y procedimientos extraídos de la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica . La electromecánica se centra en la interacción de los sistemas eléctricos y mecánicos en su conjunto y en cómo los dos sistemas interactúan entre sí. Este proceso es especialmente prominente en sistemas como los de máquinas eléctricas rotativas de CC o CA que pueden diseñarse y operarse para generar energía a partir de un proceso mecánico ( generador ) o usarse para alimentar un efecto mecánico ( motor ). La ingeniería eléctrica en este contexto también abarca la ingeniería electrónica .
Los dispositivos electromecánicos son aquellos que tienen procesos tanto eléctricos como mecánicos. Estrictamente hablando, un interruptor operado manualmente es un componente electromecánico debido al movimiento mecánico que provoca una salida eléctrica. Si bien esto es cierto, generalmente se entiende que el término se refiere a dispositivos que involucran una señal eléctrica para crear un movimiento mecánico, o viceversa, un movimiento mecánico para crear una señal eléctrica. A menudo involucra principios electromagnéticos, como en los relés , que permiten que un voltaje o una corriente controlen otro voltaje o corriente de circuito, generalmente aislado, mediante la conmutación mecánica de conjuntos de contactos, y solenoides , mediante los cuales un voltaje puede accionar un enlace móvil como en las válvulas de solenoide.
Antes del desarrollo de la electrónica moderna, los dispositivos electromecánicos se utilizaban ampliamente en complicados subsistemas de piezas, incluidas máquinas de escribir eléctricas , teletipos , relojes , sistemas iniciales de televisión y las primeras computadoras digitales electromecánicas . La electrónica de estado sólido ha reemplazado a la electromecánica en muchas aplicaciones.
El primer motor eléctrico fue inventado en 1822 por Michael Faraday . El motor fue desarrollado sólo un año después de que Hans Christian Ørsted descubriera que el flujo de corriente eléctrica crea un campo magnético proporcional. [5] Este primer motor era simplemente un cable parcialmente sumergido en un vaso de mercurio con un imán en la parte inferior. Cuando el cable se conectó a una batería, se creó un campo magnético y esta interacción con el campo magnético emitido por el imán hizo que el cable girara.
Diez años más tarde, Michael Faraday inventó el primer generador eléctrico. Este generador consistía en un imán que pasaba a través de una bobina de alambre e inducía una corriente que se medía con un galvanómetro. Las investigaciones y experimentos de Faraday sobre la electricidad son la base de la mayoría de los principios electromecánicos modernos conocidos en la actualidad. [6]
El interés por la electromecánica surgió con la investigación de las comunicaciones a larga distancia. El rápido aumento de la producción de la Revolución Industrial dio lugar a una demanda de comunicaciones intracontinentales, lo que permitió que la electromecánica se abriera camino hacia el servicio público. Los relés se originaron con la telegrafía cuando se utilizaron dispositivos electromecánicos para regenerar señales telegráficas. El conmutador Strowger , el conmutador Panel y dispositivos similares se utilizaron ampliamente en las primeras centrales telefónicas automatizadas . Los interruptores de barra transversal se instalaron ampliamente por primera vez a mediados del siglo XX en Suecia , Estados Unidos , Canadá y Gran Bretaña , y rápidamente se extendieron al resto del mundo.
Los sistemas electromecánicos experimentaron un enorme salto en el progreso entre 1910 y 1945, cuando el mundo se vio sumido en dos guerras globales. La Primera Guerra Mundial vio una explosión de nueva electromecánica cuando todos los países utilizaron focos y radios. [7] Para la Segunda Guerra Mundial , los países habían desarrollado y centralizado sus fuerzas armadas en torno a la versatilidad y el poder de la electromecánica. Un ejemplo de estos que todavía se utilizan hoy en día es el alternador , que fue creado para alimentar equipos militares en la década de 1950 y luego reutilizado para automóviles en la década de 1960. Los Estados Unidos de la posguerra se beneficiaron enormemente del desarrollo de la electromecánica por parte del ejército, ya que el trabajo doméstico fue rápidamente reemplazado por sistemas electromecánicos como microondas, refrigeradores y lavadoras. Los sistemas de televisión electromecánicos de finales del siglo XIX tuvieron menos éxito.
Las máquinas de escribir eléctricas se desarrollaron, hasta la década de 1980, como "máquinas de escribir asistidas eléctricamente". Contenían un único componente eléctrico, el motor. Donde antes la pulsación de tecla había movido una barra de tipo directamente, ahora activaba enlaces mecánicos que dirigían la potencia mecánica desde el motor a la barra de tipo. Esto también se aplica a la posterior IBM Selectric . En los Laboratorios Bell , en el año 1946, se desarrolló la computadora Bell Modelo V. Era un dispositivo electromecánico basado en relés; los ciclos tomaban segundos. En 1968, los sistemas electromecánicos todavía estaban bajo consideración seria para una computadora de control de vuelo de un avión , hasta que se adoptó un dispositivo basado en electrónica de integración a gran escala en la Computadora Central de Datos Aéreos .
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) tienen sus raíces en la revolución del silicio , que se remonta a dos importantes inventos de semiconductores de silicio de 1959: el chip de circuito integrado (CI) monolítico de Robert Noyce en Fairchild Semiconductor , y el semiconductor de campo de óxido metálico. Transistor de efecto (MOSFET) por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs . El escalado de MOSFET , la miniaturización de los MOSFET en chips de circuitos integrados, condujo a la miniaturización de la electrónica (como lo predijeron la ley de Moore y el escalado de Dennard ). Esto sentó las bases para la miniaturización de los sistemas mecánicos, con el desarrollo de la tecnología de micromecanizado basada en dispositivos semiconductores de silicio , cuando los ingenieros comenzaron a darse cuenta de que los chips de silicio y los MOSFET podían interactuar y comunicarse con el entorno y procesar cosas como sustancias químicas , movimientos y luz . Uno de los primeros sensores de presión de silicio fue micromecanizado isotrópicamente por Honeywell en 1962. [8]
Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. [9] Durante la década de 1970 y principios de la de 1980, se desarrollaron varios microsensores MOSFET para medir la física . Parámetros químicos , biológicos y ambientales . [10] A principios del siglo XXI, se han realizado investigaciones sobre sistemas nanoelectromecánicos (NEMS).
Hoy en día, los procesos electromecánicos son utilizados principalmente por las empresas eléctricas. Todos los generadores basados en combustible convierten el movimiento mecánico en energía eléctrica. Algunas energías renovables como la eólica y la hidroeléctrica funcionan mediante sistemas mecánicos que también convierten el movimiento en electricidad.
En los últimos treinta años del siglo XX, los equipos que generalmente utilizaban dispositivos electromecánicos se volvieron menos costosos. Este equipo se volvió más barato porque utilizaba circuitos de microcontroladores integrados de manera más confiable que contenían en última instancia unos pocos millones de transistores y un programa para llevar a cabo la misma tarea a través de la lógica. En los componentes electromecánicos solo existían piezas móviles, como por ejemplo actuadores eléctricos mecánicos . Esta lógica más confiable ha reemplazado a la mayoría de los dispositivos electromecánicos, porque cualquier punto de un sistema que deba depender del movimiento mecánico para un funcionamiento adecuado inevitablemente sufrirá desgaste mecánico y eventualmente fallará. Los circuitos electrónicos correctamente diseñados sin piezas móviles seguirán funcionando correctamente casi indefinidamente y se utilizan en la mayoría de los sistemas de control de retroalimentación simples. Los circuitos sin partes móviles aparecen en una gran cantidad de artículos, desde semáforos hasta lavadoras .
Otro dispositivo electromecánico son los dispositivos piezoeléctricos , pero no utilizan principios electromagnéticos. Los dispositivos piezoeléctricos pueden crear sonido o vibración a partir de una señal eléctrica o crear una señal eléctrica a partir de sonido o vibración mecánica.
Para convertirse en ingeniero electromecánico, los cursos universitarios típicos incluyen matemáticas, ingeniería, informática, diseño de máquinas y otras clases automotrices que ayudan a adquirir habilidades para solucionar problemas y analizar problemas con las máquinas. Para ser ingeniero electromecánico se requiere una licenciatura, generalmente en ingeniería eléctrica, mecánica o electromecánica. En abril de 2018, solo dos universidades, la Universidad Tecnológica de Michigan y el Instituto de Tecnología Wentworth , ofrecen la especialización en ingeniería electromecánica [ cita necesaria ] . Para ingresar al campo electromecánico como técnico de nivel básico, todo lo que se requiere es un título asociativo.
En 2016, aproximadamente 13.800 personas trabajan como técnicos electromecánicos en los EE. UU. Las perspectivas de empleo para los técnicos de 2016 a 2026 son de un crecimiento del 4%, lo que supone una variación del empleo de 500 puestos. Esta perspectiva es más lenta que el promedio. [11]