La ingeniería eléctrica es una disciplina de ingeniería que se ocupa del estudio, diseño y aplicación de equipos, dispositivos y sistemas que utilizan electricidad , electrónica y electromagnetismo . Surgió como una ocupación identificable en la segunda mitad del siglo XIX después de la comercialización del telégrafo eléctrico , el teléfono y la generación, distribución y uso de energía eléctrica .
La ingeniería eléctrica se divide en una amplia gama de campos diferentes, entre los que se incluyen la ingeniería informática , la ingeniería de sistemas , la ingeniería energética , las telecomunicaciones , la ingeniería de radiofrecuencia , el procesamiento de señales , la instrumentación , las células fotovoltaicas , la electrónica y la óptica y la fotónica . Muchas de estas disciplinas se superponen con otras ramas de la ingeniería y abarcan una gran cantidad de especializaciones, entre las que se incluyen la ingeniería de hardware, la electrónica de potencia , el electromagnetismo y las ondas, la ingeniería de microondas , la nanotecnología , la electroquímica , las energías renovables, la mecatrónica/control y la ciencia de los materiales eléctricos. [a]
Los ingenieros eléctricos suelen tener un título en ingeniería eléctrica, electrónica o ingeniería eléctrica y electrónica. Los ingenieros en ejercicio pueden tener una certificación profesional y ser miembros de un organismo profesional o de una organización de normalización internacional. Entre ellos se encuentran la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET, anteriormente IEE).
Los ingenieros eléctricos trabajan en una amplia gama de industrias y las habilidades requeridas también son variables. Estas van desde la teoría de circuitos hasta las habilidades de gestión de un gerente de proyectos . Las herramientas y el equipo que un ingeniero individual puede necesitar son igualmente variables, y van desde un simple voltímetro hasta un sofisticado software de diseño y fabricación.
La electricidad ha sido un tema de interés científico desde al menos principios del siglo XVII. William Gilbert fue un destacado científico eléctrico y fue el primero en establecer una clara distinción entre magnetismo y electricidad estática . Se le atribuye el establecimiento del término "electricidad". [1] También diseñó el versorium : un dispositivo que detecta la presencia de objetos cargados estáticamente. En 1762, el profesor sueco Johan Wilcke inventó un dispositivo que luego se denominó electróforo y que producía una carga eléctrica estática. En 1800, Alessandro Volta había desarrollado la pila voltaica , un precursor de la batería eléctrica. [2]
En el siglo XIX, la investigación sobre el tema comenzó a intensificarse. Los desarrollos notables en este siglo incluyen el trabajo de Hans Christian Ørsted , quien descubrió en 1820 que una corriente eléctrica produce un campo magnético que desvía la aguja de una brújula; de William Sturgeon , quien en 1825 inventó el electroimán ; de Joseph Henry y Edward Davy , quienes inventaron el relé eléctrico en 1835; de Georg Ohm , quien en 1827 cuantificó la relación entre la corriente eléctrica y la diferencia de potencial en un conductor ; de Michael Faraday , el descubridor de la inducción electromagnética en 1831; y de 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 probablemente la primera forma de telegrafía eléctrica del mundo , que utilizaba 24 cables diferentes, uno para cada letra del alfabeto. Este telégrafo conectaba dos habitaciones. Se trataba de un telégrafo electrostático que movía hojas de oro mediante conducción eléctrica.
En 1795, Francisco Salva Campillo propuso un sistema de telégrafo electrostático. Entre 1803 y 1804 trabajó en la 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 muy influenciado por dos descubrimientos realizados en Europa en 1800 y se basó en ellos: la batería eléctrica de Alessandro Volta para generar una 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 mundial de telégrafo eléctrico y las primeras instituciones profesionales de ingeniería eléctrica se fundaron en el Reino Unido y los EE. UU. 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 pasaría a llamarse Institución de Ingenieros Eléctricos ), donde otros miembros lo consideraban el primero de su cohorte. [8] A fines del siglo XIX, el mundo había cambiado para siempre gracias a la rápida comunicación que fue posible gracias al 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 crearon una creciente necesidad de unidades de medida estandarizadas . Condujeron a la estandarización internacional de las unidades voltio , amperio , culombio , ohmio , faradio y henrio . Esto se logró en una conferencia internacional en Chicago en 1893. [9] La publicación de estas normas formó la base de futuros avances en la estandarización en varias industrias y, en muchos países, las definiciones fueron reconocidas inmediatamente 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 primitiva se consideraba de naturaleza electromecánica . La Technische Universität 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]
En 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 estableció el departamento de ingeniería eléctrica en 1886. [17] Posteriormente, las universidades e institutos de tecnología comenzaron gradualmente a ofrecer programas de ingeniería eléctrica a sus estudiantes de 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 [CC]) a 59 clientes de 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 de transmitir energía de manera 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 (posteriormente 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 de forma independiente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla y desarrollados posteriormente en una forma trifásica práctica 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 expansión del uso de la corriente alterna desencadenó en los Estados Unidos lo que se ha llamado la guerra de las corrientes entre un sistema de corriente alterna respaldado por George Westinghouse y un sistema de energía de corriente continua respaldado por Thomas Edison, en el que la corriente alterna se adoptó como el estándar general. [21]
Durante el desarrollo de la radio , muchos científicos e inventores contribuyeron a la tecnología de radio y la electrónica. El trabajo matemático de James Clerk Maxwell durante la década de 1850 había demostrado la relación entre las diferentes formas de radiación electromagnética , incluida la posibilidad de ondas aéreas invisibles (más tarde llamadas "ondas de radio"). En sus experimentos de física clásicos de 1888, Heinrich Hertz demostró la teoría de Maxwell al transmitir ondas de radio con un transmisor de chispa y detectarlas utilizando dispositivos eléctricos simples. 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" en un sistema telegráfico inalámbrico comercial construido específicamente . Al principio, envió señales inalámbricas a una distancia de una milla y media. En diciembre de 1901, envió ondas inalámbricas que no se vieron afectadas por la curvatura de la Tierra. Posteriormente, 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 de forma independiente el tubo amplificador, llamado triodo . [28]
En 1920, Albert Hull desarrolló el magnetrón que eventualmente conduciría al desarrollo del horno microondas en 1946 por Percy Spencer . [29] [30] En 1934, el ejército británico comenzó a hacer avances hacia el radar (que también utiliza el magnetrón) bajo la dirección del Dr. Wimperis, culminando con la operación de la primera estación de radar en Bawdsey en agosto de 1936. [31]
En 1941, Konrad Zuse presentó el Z3 , el primer ordenador completamente funcional y programable del mundo que utilizaba piezas electromecánicas. En 1943, Tommy Flowers diseñó y construyó el Colossus , el primer ordenador completamente funcional, electrónico, digital y programable del mundo. [32] [33] En 1946, le siguió el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de John Presper Eckert y John Mauchly , dando comienzo a la era de la informática. 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 con William Shockley en los Bell Telephone Laboratories (BTL) en 1947. [35] Luego inventaron el transistor de unión bipolar en 1948. [36] Si bien los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran 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 podía miniaturizarse y producirse 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 construir chips de circuitos integrados de alta densidad . [41] El primer chip IC MOS experimental que se fabricó fue construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA Laboratories 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 compuerta de silicio fue desarrollada por Federico Faggin en Fairchild en 1968. [49] Desde entonces, el MOSFET ha sido el componente 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 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. [52]
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) [53] [54] y chips de circuitos integrados de silicio en la Computadora de Guía 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 compuerta 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 .
Una de las propiedades de la electricidad es que resulta muy útil tanto para la transmisión de energía como para la transmisión de información. Estas fueron también las primeras áreas en las que se desarrolló la ingeniería eléctrica. Hoy en día, la ingeniería eléctrica tiene muchas subdisciplinas, las más comunes de las cuales se enumeran a continuación. Aunque hay ingenieros eléctricos que se centran exclusivamente en una de estas subdisciplinas, muchos se ocupan de una combinación de ellas. En ocasiones, ciertos campos, como la ingeniería electrónica y la ingeniería informática , se consideran disciplinas por derecho propio.
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 alto voltaje y electrónica de potencia . En muchas regiones del mundo, los gobiernos mantienen una red eléctrica llamada red eléctrica que conecta una variedad de generadores junto con los usuarios de su energía. Los usuarios compran energía eléctrica de la red, evitando el costoso ejercicio de tener que generar su propia energía. Los ingenieros de potencia pueden trabajar en el diseño y mantenimiento de la red eléctrica, así como de los sistemas de energía que se conectan a ella. [60] Estos sistemas se denominan sistemas de energía en red y pueden suministrar a la red energía adicional, extraer energía de la red o hacer ambas cosas. Los ingenieros de potencia también pueden trabajar en sistemas que no se conectan a la red, llamados sistemas de energía fuera de la red , que en algunos casos son preferibles a los sistemas en 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 espacio libre . [61] Las transmisiones a través del espacio libre requieren que la información se codifique en una señal portadora para cambiar la información a una frecuencia portadora adecuada para la transmisión; esto se conoce como modulación . Las técnicas de modulación analógica populares incluyen modulación de amplitud y modulación de frecuencia . [62] La elección de la modulación afecta el costo y el rendimiento de un sistema y estos dos factores deben ser equilibrados cuidadosamente por el ingeniero.
Una vez que se determinan las características de transmisión de un sistema, los ingenieros de telecomunicaciones diseñan los transmisores y receptores necesarios para tales sistemas. Estos dos a veces se combinan para formar un dispositivo de comunicación bidireccional conocido como transceptor . Una consideración clave en el diseño de transmisores es su consumo de energía , ya que está estrechamente relacionado con la intensidad de su señal . [63] [64] Normalmente, si la potencia de la señal transmitida es insuficiente una vez que la señal llega a la(s) antena(s) del receptor, la información contenida en la señal se verá corrompida por el ruido , específicamente la estática.
La ingeniería de control se centra en el modelado de una amplia gama de sistemas dinámicos y el diseño de controladores que harán que estos sistemas se comporten de la manera deseada. [65] Para implementar dichos controladores, los ingenieros de control electrónico pueden utilizar circuitos electrónicos , procesadores de señales digitales , microcontroladores y controladores lógicos programables (PLC). La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones, desde los sistemas de vuelo y propulsión de aviones comerciales hasta el control de crucero presente en muchos automóviles modernos . [66] También juega un papel importante en la automatización industrial .
Los ingenieros de control suelen utilizar la retroalimentación al diseñar sistemas de control . Por ejemplo, en un automóvil con control de crucero, la velocidad del vehículo se monitorea continuamente y se envía de vuelta al sistema, que ajusta la potencia de salida del motor en consecuencia. [67] Cuando hay retroalimentación regular, se puede utilizar la teoría de control para determinar cómo responde el sistema a dicha retroalimentación.
Los ingenieros de control también trabajan en robótica para diseñar sistemas autónomos utilizando algoritmos de control que interpretan la retroalimentación sensorial para controlar los actuadores que mueven robots como vehículos autónomos , drones autónomos y otros utilizados en una variedad de industrias. [68]
La ingeniería electrónica implica el diseño y prueba de circuitos electrónicos que utilizan las propiedades de componentes como resistencias , capacitores , inductores , diodos y transistores para lograr una funcionalidad particular. [60] El circuito sintonizado , que permite al usuario de una radio filtrar todas las estaciones excepto una, es solo un ejemplo de dicho circuito. Otro ejemplo para investigar es un acondicionador de señal neumático.
Antes de la Segunda Guerra Mundial, el tema se conocía comúnmente como ingeniería de radio y básicamente estaba restringido a aspectos de las comunicaciones y el radar , la radio comercial y la televisión temprana . [60] Más tarde, en los años de posguerra, cuando comenzaron a desarrollarse dispositivos de consumo, el campo creció para incluir la televisión moderna, los sistemas de audio, las computadoras y los microprocesadores . A mediados y fines de la década de 1950, el término ingeniería de radio dio 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 tenían una velocidad limitada, aunque todavía son comunes en algunas aplicaciones. Por el contrario, los circuitos integrados empaquetaban una gran cantidad (a menudo millones) de componentes eléctricos diminutos, principalmente transistores , [70] en un pequeño chip del tamaño de una moneda . Esto permitió la creación de los potentes ordenadores y otros dispositivos electrónicos que vemos hoy.
La ingeniería microelectrónica se ocupa del diseño y la microfabricación de componentes de circuitos electrónicos muy pequeños para su uso en un circuito integrado o, a veces, para su uso por sí solos como un componente electrónico general. [71] Los componentes microelectrónicos más comunes son los transistores semiconductores , aunque todos los componentes electrónicos principales ( resistencias , condensadores , etc.) se pueden crear a nivel microscópico.
La nanoelectrónica es la ampliación de los dispositivos hasta niveles nanométricos . Los dispositivos modernos ya están en el régimen nanométrico, y el procesamiento por debajo de los 100 nm es estándar desde aproximadamente 2002. [72]
Los componentes microelectrónicos se crean mediante la fabricación química de obleas de semiconductores como el silicio (a frecuencias más altas, semiconductores compuestos como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio) para obtener el transporte deseado de carga electrónica y el control de la corriente. El campo de la microelectrónica implica una cantidad significativa de química y ciencia de los materiales y requiere que el ingeniero electrónico que trabaja en el campo tenga un muy buen 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 implicar 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 implicar la compresión , la detección de errores y la corrección de errores de señales muestreadas digitalmente. [75]
El procesamiento de señales es un área muy orientada a las matemáticas y de gran intensidad que forma el núcleo del procesamiento de señales digitales y se está expandiendo rápidamente con nuevas aplicaciones en todos los campos de la ingeniería eléctrica, como las comunicaciones, el control, el radar, la ingeniería de audio , la ingeniería de transmisión , la electrónica de potencia y la ingeniería biomédica , ya que muchos sistemas analógicos ya 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 digitales , sistemas de guía de misiles, sistemas de radar y sistemas telemáticos . En dichos productos, el DSP puede ser responsable de la reducción de ruido , el reconocimiento o 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 , procesamiento de video , procesamiento de audio y procesamiento de 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 una buena comprensión de la física que a menudo se extiende más allá de la teoría electromagnética . Por ejemplo, los instrumentos de vuelo miden variables como la velocidad del viento y la altitud para permitir a los pilotos el control analítico de las aeronaves. De manera similar, los termopares utilizan el efecto Peltier-Seebeck para medir la diferencia de temperatura entre dos puntos. [79]
A menudo, la instrumentación no se utiliza por sí sola, sino como sensores de sistemas eléctricos más grandes. Por ejemplo, se puede utilizar un termopar para garantizar que la temperatura de un horno se mantenga constante. [80] Por este motivo, 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 es a menudo el dominio de la ingeniería de software, que normalmente se considera una disciplina separada. [81] Los ordenadores de sobremesa representan una pequeña fracción de los dispositivos en los que un ingeniero informático podría trabajar, 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 están involucrados 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 aplicación de la óptica se ocupa del 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 electroópticos y sistemas de medición, 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 (que en su mayoría involucra semiconductores ), sistemas láser, amplificadores ópticos y materiales novedosos (por ejemplo, metamateriales ).
La mecatrónica es una disciplina de ingeniería que se ocupa de la convergencia de sistemas eléctricos y mecánicos . Estos sistemas combinados se conocen como sistemas electromecánicos y tienen una adopción generalizada. Los ejemplos incluyen sistemas de fabricación automatizados , [83] sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado , [84] y varios subsistemas de aeronaves y automóviles . [85] El diseño de sistemas electrónicos es la materia dentro de la ingeniería eléctrica que se ocupa de los problemas de diseño multidisciplinarios de sistemas eléctricos y mecánicos complejos. [86]
El término mecatrónica se utiliza normalmente para referirse a sistemas macroscópicos, pero los futuristas han predicho la aparición de dispositivos electromecánicos muy pequeños. Estos pequeños dispositivos, conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS), ya se utilizan en automóviles para indicar a los airbags cuándo deben desplegarse [87] , en proyectores digitales para crear imágenes más nítidas y en impresoras de inyección de tinta para crear boquillas para impresiones de alta definición. En el futuro, se espera que estos dispositivos ayuden a construir diminutos dispositivos médicos implantables y a mejorar la comunicación óptica [88] .
En ingeniería aeroespacial y robótica , un ejemplo es la más reciente propulsión eléctrica y la propulsión iónica.
Los ingenieros eléctricos suelen poseer un título académico con especialización en ingeniería eléctrica, ingeniería electrónica , tecnología de ingeniería eléctrica , [89] o ingeniería eléctrica y electrónica. [90] [91] Los mismos principios fundamentales se enseñan en todos los programas, aunque el énfasis puede variar según el título. La duración del estudio para dicho título suele ser de cuatro o cinco años y el título completado puede designarse como Licenciatura en Ciencias en Tecnología de Ingeniería Eléctrica/Electrónica, Licenciatura en Ingeniería , Licenciatura en Ciencias, Licenciatura en Tecnología o Licenciatura en Ciencias Aplicadas , según la universidad. La licenciatura generalmente incluye unidades que cubren física , matemáticas, informática , gestión de proyectos y una variedad de temas en ingeniería eléctrica . [92] Inicialmente, dichos temas cubren la mayoría, si no todas, las subdisciplinas de la ingeniería eléctrica. En algunas escuelas, los estudiantes pueden elegir enfatizar una o más subdisciplinas hacia el final de sus cursos de estudio.
En muchas escuelas, la ingeniería electrónica se incluye como parte de un título en electricidad, a veces de manera explícita, como la Licenciatura en Ingeniería (Eléctrica y Electrónica), pero en otras, tanto la ingeniería eléctrica como la electrónica se consideran lo suficientemente amplias y complejas como para que se ofrezcan títulos separados. [93]
Algunos ingenieros eléctricos optan por estudiar para obtener un título de posgrado, como una Maestría en Ingeniería /Maestría en Ciencias (MEng/MSc), una Maestría en Gestión de Ingeniería , un Doctorado en Filosofía (PhD) en Ingeniería, un Doctorado en Ingeniería (Eng.D.) o un título de Ingeniero . Los títulos de maestría e ingeniero pueden consistir en investigación, cursos o una combinación de ambos. Los títulos de Doctor en Filosofía y Doctorado en Ingeniería consisten en un componente de investigación significativo y a menudo se consideran el punto de entrada al mundo académico . En el Reino Unido y algunos otros países europeos, la Maestría en Ingeniería a menudo se considera un título de pregrado de una duración ligeramente más larga que la Licenciatura en Ingeniería en lugar de un título de posgrado independiente. [94]
En la mayoría de los países, una licenciatura en ingeniería representa el primer paso hacia la certificación profesional y el programa de grado en sí está certificado por un organismo profesional . [95] Después de completar un programa de grado certificado, el ingeniero debe satisfacer una serie de requisitos (incluidos los requisitos de experiencia laboral) antes de ser certificado. Una vez certificado, el ingeniero recibe el título de Ingeniero Profesional (en los Estados Unidos, Canadá y Sudáfrica), Ingeniero Colegiado o Ingeniero Incorporado (en la India, Pakistán, el Reino Unido, Irlanda y Zimbabue ), Ingeniero Profesional Colegiado (en Australia y Nueva Zelanda) o Ingeniero Europeo (en gran parte de la Unión Europea ).
Las ventajas de la licencia varían según la ubicación. Por ejemplo, en los Estados Unidos y Canadá "sólo un ingeniero con licencia puede sellar trabajos de ingeniería para clientes públicos y privados". [96] Este requisito se hace cumplir mediante la legislación estatal y provincial, como la Ley de Ingenieros de Quebec . [97] En otros países, no existe tal legislación. Prácticamente todos los organismos de certificación mantienen un código de ética que esperan que todos los miembros respeten o corren el riesgo de ser expulsados. [98] De esta manera, estas organizaciones desempeñan un papel importante en el mantenimiento de los estándares éticos para la profesión. Incluso en jurisdicciones donde la certificación tiene poca o ninguna relación legal con el trabajo, los ingenieros están sujetos al derecho contractual . En los casos en que el trabajo de un ingeniero falla, él o ella puede estar sujeto al agravio de negligencia y, en casos extremos, al cargo de negligencia criminal . El trabajo de un ingeniero también debe cumplir con muchas otras reglas y regulaciones, como los códigos de construcción y la legislación relacionada con el derecho ambiental .
Entre los organismos profesionales de referencia para los ingenieros eléctricos se encuentran el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET). El IEEE afirma producir el 30% de la literatura mundial sobre ingeniería eléctrica, tiene más de 360.000 miembros en todo el mundo y celebra más de 3.000 conferencias al año. [99] El IET publica 21 revistas, tiene una membresía mundial de más de 150.000 miembros y afirma ser la sociedad de ingeniería profesional más grande de Europa. [100] [101] La obsolescencia de las habilidades técnicas es una preocupación seria para los ingenieros eléctricos. Por lo tanto, la membresía y participación en sociedades técnicas, las revisiones periódicas de publicaciones periódicas en el campo y un hábito de aprendizaje continuo son esenciales para mantener la competencia. Un MIET (Miembro de la Institución de Ingeniería y Tecnología) es reconocido en Europa como ingeniero eléctrico y de computación (tecnología). [102]
En Australia, Canadá y Estados Unidos, los ingenieros eléctricos representan alrededor del 0,25% de la fuerza laboral. [b]
Desde el Sistema de Posicionamiento Global hasta la generación de energía eléctrica , los ingenieros eléctricos han contribuido al desarrollo de una amplia gama de tecnologías. Diseñan, desarrollan, prueban y supervisan el despliegue de sistemas eléctricos y dispositivos electrónicos. Por ejemplo, pueden trabajar en el diseño de sistemas de telecomunicaciones, el funcionamiento de centrales eléctricas , la iluminación y el cableado de edificios, el diseño de electrodomésticos o el control eléctrico de maquinaria industrial. [106]
Las ciencias de la física y las matemáticas son fundamentales para la disciplina, ya que ayudan a obtener una descripción tanto cualitativa como cuantitativa de cómo funcionarán dichos sistemas. Hoy en día, la mayor parte del trabajo de ingeniería implica el uso de computadoras y es común utilizar programas de diseño asistido por computadora para diseñar sistemas eléctricos. Sin embargo, la capacidad de esbozar ideas sigue siendo invaluable para comunicarse rápidamente con los demás.
Aunque la mayoría de los ingenieros eléctricos comprenderán la teoría básica de circuitos (es decir, las interacciones de elementos como resistencias , condensadores , diodos , transistores e inductores en un circuito), las teorías empleadas por los ingenieros generalmente dependen del trabajo que realizan. Por ejemplo, la mecánica cuántica y la física del estado sólido pueden ser relevantes para un ingeniero que trabaja en VLSI (el diseño de circuitos integrados), pero son en gran medida irrelevantes para los ingenieros que trabajan con sistemas eléctricos macroscópicos. Incluso la teoría de circuitos puede no ser relevante para una persona que diseña sistemas de telecomunicaciones que utilizan componentes listos para usar . Quizás las habilidades técnicas más importantes para los ingenieros eléctricos se reflejan en los programas universitarios, que enfatizan fuertes habilidades numéricas , alfabetización informática y la capacidad de comprender el lenguaje técnico y los conceptos relacionados con la ingeniería eléctrica. [107]
Los ingenieros eléctricos utilizan una amplia gama de instrumentación. Para circuitos de control y alarmas simples, un multímetro básico que mida voltaje , corriente y resistencia puede ser suficiente. Cuando se necesitan estudiar señales que varían en el tiempo, el osciloscopio también es un instrumento omnipresente. En ingeniería de RF y telecomunicaciones de alta frecuencia, se utilizan analizadores de espectro y analizadores de red . En algunas disciplinas, la seguridad puede ser una preocupación particular con la instrumentación. Por ejemplo, los diseñadores de electrónica médica deben tener en cuenta que voltajes mucho más bajos de lo normal pueden ser peligrosos cuando los electrodos están en contacto directo con fluidos corporales internos. [108] La ingeniería de transmisión de energía también tiene grandes preocupaciones de seguridad debido a los altos voltajes utilizados; aunque los voltímetros pueden en principio ser similares a sus equivalentes de bajo voltaje, los problemas de seguridad y calibración los hacen muy diferentes. [109] Muchas disciplinas de ingeniería eléctrica utilizan pruebas específicas para su disciplina. Los ingenieros de electrónica de audio utilizan equipos de prueba de audio que consisten en un generador de señales y un medidor, principalmente para medir el nivel pero también otros parámetros como la distorsión armónica y el ruido . De la misma manera, las tecnologías de la información tienen sus propios conjuntos de pruebas, a menudo específicos para un formato de datos particular, y lo mismo ocurre con las transmisiones televisivas.
Para muchos ingenieros, el trabajo técnico representa solo una fracción del trabajo que realizan. También se puede dedicar mucho tiempo a tareas como discutir propuestas con clientes, preparar presupuestos y determinar cronogramas de proyectos . [110] Muchos ingenieros superiores gestionan un equipo de técnicos u otros ingenieros y, por este motivo, las habilidades de gestión de proyectos son importantes. La mayoría de los proyectos de ingeniería implican algún tipo de documentación y, por lo tanto, es muy importante tener buenas habilidades de comunicación escrita .
Los lugares de trabajo de los ingenieros son tan variados como los tipos de trabajo que realizan. Los ingenieros eléctricos pueden trabajar en el prístino entorno de laboratorio de una planta de fabricación , a bordo de un buque de guerra , en las oficinas de una empresa de consultoría o en el sitio de una mina. Durante su vida laboral, los ingenieros eléctricos pueden encontrarse supervisando una amplia gama de personas, incluidos científicos, electricistas , programadores informáticos y otros ingenieros. [111]
La ingeniería eléctrica tiene una relación íntima con las ciencias físicas. Por ejemplo, el físico Lord Kelvin desempeñó un papel importante en la ingeniería del primer cable telegráfico transatlántico . [112] Por el contrario, el ingeniero Oliver Heaviside produjo un trabajo importante sobre las matemáticas de la transmisión en cables telegráficos. [113] Los ingenieros eléctricos suelen ser necesarios para proyectos científicos importantes. Por ejemplo, los grandes aceleradores de partículas como el CERN necesitan ingenieros eléctricos para tratar muchos aspectos del proyecto, incluida la distribución de energía, la instrumentación y la fabricación e instalación de los electroimanes superconductores . [114] [115]
Gracias a estos descubrimientos, aparecieron una serie de inventores o, mejor dicho, "adaptadores", que tomaron estos nuevos conocimientos y los transformaron en ideas útiles con utilidad comercial; el primero de estos "productos" fue el uso de la electricidad para transmitir información entre puntos distantes, el telégrafo eléctrico.
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )El MOSFET de silicio ha revolucionado la industria electrónica y, como resultado, afecta nuestra vida diaria en casi todas las formas imaginables.
El transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (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.
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