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 destacado en sistemas como los de las 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 causa una salida eléctrica. Si bien esto es cierto, el término generalmente se entiende como una referencia a dispositivos que involucran una señal eléctrica para crear un movimiento mecánico, o viceversa, un movimiento mecánico para crear una señal eléctrica. A menudo involucran principios electromagnéticos como en los relés , que permiten que un voltaje o corriente controle otro, generalmente un voltaje o corriente de circuito aislado al conmutar mecánicamente conjuntos de contactos, y solenoides , por los cuales un voltaje puede activar un enlace móvil como en las válvulas solenoides.
Antes del desarrollo de la electrónica moderna, los dispositivos electromecánicos se utilizaban ampliamente en subsistemas complejos de piezas, incluidas las máquinas de escribir eléctricas , los teletipos , los relojes , los primeros sistemas 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 solo 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 el fondo. Cuando el cable se conectaba a una batería, se creaba un campo magnético y esta interacción con el campo magnético emitido por el imán hacía que el cable girara.
Diez años después, Michael Faraday inventó el primer generador eléctrico. Este generador consistía en un imán que atravesaba una bobina de alambre y generaba una corriente que se medía con un galvanómetro. Las investigaciones y los experimentos de Faraday sobre la electricidad son la base de la mayoría de los principios electromecánicos modernos que se conocen hoy en día. [6]
El interés por la electromecánica surgió con la investigación en comunicaciones a larga distancia. El rápido aumento de la producción durante la Revolución Industrial dio lugar a una demanda de comunicaciones intracontinentales, lo que permitió que la electromecánica se abriera paso en el servicio público. Los relés se originaron con la telegrafía , ya que se utilizaban dispositivos electromecánicos para regenerar señales telegráficas. El conmutador Strowger , el conmutador de panel y dispositivos similares se utilizaron ampliamente en las primeras centrales telefónicas automatizadas . Los conmutadores de barras cruzadas 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 avance entre 1910 y 1945, cuando el mundo entró en guerra dos veces. La Primera Guerra Mundial vio un estallido de nueva electromecánica, ya que todos los países usaban reflectores 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 se creó para alimentar equipos militares en la década de 1950 y luego se reutilizó para automóviles en la década de 1960. Los Estados Unidos de la posguerra se beneficiaron enormemente del desarrollo de la electromecánica por parte de los militares, ya que el trabajo doméstico fue reemplazado rápidamente 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 por potencia". Contenían un solo componente eléctrico, el motor. Donde antes la pulsación de una tecla movía directamente una barra de tipos, ahora activaba vínculos mecánicos que dirigían la energía mecánica del motor a la barra de tipos. Esto también era cierto para la posterior IBM Selectric . En Bell Labs , en 1946, se desarrolló la computadora Bell Model V. Era un dispositivo basado en relés electromecánicos; los ciclos tardaban segundos. En 1968, los sistemas electromecánicos todavía se estaban considerando seriamente para una computadora de control de vuelo de aeronaves, 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 invenciones de semiconductores de silicio de 1959: el chip de circuito integrado (CI) monolítico de Robert Noyce en Fairchild Semiconductor , y el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran y utilizaran la pasivación de la superficie por dióxido de silicio para crear los primeros transistores planares, los primeros en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [8] [9] [10] [11] [12] El escalado de MOSFET , la miniaturización de los MOSFET en chips de CI, condujo a la miniaturización de la electrónica (como lo predijo 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 micromaquinado basada en dispositivos semiconductores de silicio , a medida que 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 productos químicos , movimientos y luz . Uno de los primeros sensores de presión de silicio fue micromaquinado isotrópicamente por Honeywell en 1962. [13]
Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. [14] Durante la década de 1970 y principios de la de 1980, se desarrollaron varios microsensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [15] A principios del siglo XXI, se han realizado investigaciones sobre sistemas nanoelectromecánicos (NEMS).
En la actualidad, los procesos electromecánicos son utilizados principalmente por las compañías eléctricas. Todos los generadores basados en combustibles convierten el movimiento mecánico en energía eléctrica. Algunas energías renovables, como la eólica y la hidroeléctrica, se alimentan mediante sistemas mecánicos que también convierten el movimiento en electricidad.
En los últimos treinta años del siglo XX, los equipos que generalmente habrían utilizado dispositivos electromecánicos se volvieron más baratos. Estos equipos se volvieron más baratos porque utilizaban 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. Con los componentes electromecánicos solo había partes móviles, como actuadores eléctricos mecánicos . Esta lógica más confiable ha reemplazado a la mayoría de los dispositivos electromecánicos, porque cualquier punto en un sistema que debe depender del movimiento mecánico para su correcto funcionamiento inevitablemente tendrá desgaste mecánico y eventualmente fallará. Los circuitos electrónicos correctamente diseñados sin partes móviles continuarán 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 en la resolución de problemas y el análisis de problemas con las máquinas. Para ser ingeniero electromecánico se requiere una licenciatura, generalmente en ingeniería eléctrica, mecánica o electromecánica. A partir de abril de 2018, solo dos universidades, Michigan Technological University y Wentworth Institute of Technology , ofrecen la especialidad de ingeniería electromecánica [ cita requerida ] . Para ingresar al campo electromecánico como técnico de nivel de entrada, todo lo que se requiere es un título asociado.
En 2016, aproximadamente 13.800 personas trabajaban como técnicos electromecánicos en los EE. UU. Las perspectivas laborales para los técnicos entre 2016 y 2026 son de un crecimiento del 4 %, lo que supone un cambio de empleo de aproximadamente 500 puestos. Esta perspectiva es más lenta que el promedio. [16]