História da engenharia elétrica - History of electrical engineering
Este artigo detalha a história da engenharia elétrica .
Desenvolvimentos antigos
Muito antes de qualquer conhecimento sobre eletricidade existir, as pessoas estavam cientes dos choques causados por peixes elétricos . Textos egípcios antigos datados de 2750 AC referiam-se a esses peixes como o "Trovão do Nilo " e os descreviam como "protetores" de todos os outros peixes. Peixes elétricos foram novamente relatados milênios depois por naturalistas e médicos da Grécia Antiga , Romanos e Árabes . Vários escritores antigos, como Plínio, o Velho e Scribonius Largus , atestaram o efeito entorpecente dos choques elétricos emitidos por bagres elétricos e raios elétricos , e sabiam que tais choques podiam viajar ao longo de objetos condutores. Pacientes que sofriam de doenças como gota ou dor de cabeça eram orientados a tocar em peixes elétricos na esperança de que o poderoso choque pudesse curá-los. Possivelmente a primeira e mais próxima abordagem para a descoberta da identidade do relâmpago e da eletricidade de qualquer outra fonte deve ser atribuída aos árabes , que antes do século 15 tinham a palavra árabe para relâmpago ra'ad ( رعد ) aplicada a o raio elétrico .
As culturas antigas ao redor do Mediterrâneo sabiam que certos objetos, como hastes de âmbar , podiam ser esfregados com pêlo de gato para atrair objetos leves como penas. Tales de Mileto , um filósofo grego antigo, escrevendo por volta de 600 aC, descreveu uma forma de eletricidade estática , observando que esfregar a pele em várias substâncias, como o âmbar , causaria uma atração especial entre os dois. Ele notou que os botões de âmbar podem atrair objetos leves, como cabelos, e que, se esfregarem o âmbar por tempo suficiente, podem até fazer uma faísca saltar.
Por volta de 450 aC , Demócrito , um filósofo grego posterior, desenvolveu uma teoria atômica semelhante à moderna teoria atômica. Seu mentor, Leucippus, é creditado com essa mesma teoria. A hipótese de Leucipo e Demócrito sustentava que tudo era composto de átomos . Mas esses átomos , chamados de "atomos", eram indivisíveis e indestrutíveis. Ele prescientemente afirmou que entre os átomos existe um espaço vazio e que os átomos estão em constante movimento. Ele estava incorreto apenas ao afirmar que os átomos vêm em tamanhos e formas diferentes, e que cada objeto tinha seu próprio átomo de formato e tamanho.
Um objeto encontrado no Iraque em 1938, datado de cerca de 250 AC e chamado de Bateria de Bagdá , lembra uma célula galvânica e é alegado por alguns ter sido usado para galvanoplastia na Mesopotâmia , embora não haja evidência disso.
Desenvolvimentos do século 17
A eletricidade permaneceria pouco mais do que uma curiosidade intelectual por milênios. Em 1600, o cientista inglês William Gilbert estendeu o estudo de Cardano sobre eletricidade e magnetismo, distinguindo o efeito magnetita da eletricidade estática produzida esfregando o âmbar. Ele cunhou a nova palavra latina electricus ("de âmbar" ou "como âmbar", de ήλεκτρον [ elektron ], a palavra grega para "âmbar") para se referir à propriedade de atrair pequenos objetos após serem esfregados. Esta associação deu origem às palavras inglesas "elétricos" e "eletricidade", que fez sua primeira aparição na imprensa em Thomas Browne 's Pseudodoxia Epidemica de 1646.
Outros trabalhos foram conduzidos por Otto von Guericke, que mostrou repulsão eletrostática. Robert Boyle também publicou um trabalho.
Desenvolvimentos do século 18
Embora os fenômenos elétricos fossem conhecidos por séculos, no século 18 o estudo sistemático da eletricidade tornou-se conhecido como "a mais jovem das ciências", e o público ficou eletrizado com as mais recentes descobertas no campo.
Em 1705, Francis Hauksbee descobriu que se colocasse uma pequena quantidade de mercúrio no vidro de sua versão modificada do gerador de Otto von Guericke , evacuava o ar para criar um vácuo moderado e esfregava a bola para acumular uma carga, um brilho era visível se ele colocasse a mão do lado de fora da bola. Este brilho era forte o suficiente para ser lido. Parecia ser semelhante ao Fogo de Santo Elmo . Esse efeito mais tarde se tornou a base da lâmpada de descarga de gás , que levou à iluminação de néon e lâmpadas de vapor de mercúrio . Em 1706, ele produziu uma 'máquina de influência' para gerar esse efeito. Ele foi eleito membro da Royal Society no mesmo ano.
Hauksbee continuou a fazer experiências com eletricidade, fazendo inúmeras observações e desenvolvendo máquinas para gerar e demonstrar vários fenômenos elétricos. Em 1709, ele publicou Experimentos Físico-Mecânicos sobre Vários Assuntos, que resumiu muito de seu trabalho científico.
Stephen Gray descobriu a importância dos isoladores e condutores. CF du Fay vendo seu trabalho, desenvolveu uma teoria de eletricidade de "dois fluidos".
No século 18, Benjamin Franklin conduziu uma extensa pesquisa em eletricidade, vendendo seus bens para financiar seu trabalho. Em junho de 1752, ele teria anexado uma chave de metal à parte inferior de um fio de pipa úmido e voado em um céu ameaçado de tempestade. Uma sucessão de faíscas saltando da chave para as costas de sua mão mostrou que o relâmpago era de fato elétrico por natureza. Ele também explicou o comportamento aparentemente paradoxal do jarro de Leyden como um dispositivo para armazenar grandes quantidades de carga elétrica, surgindo com o único fluido, a teoria de dois estados da eletricidade.
Em 1791, o italiano Luigi Galvani publicou sua descoberta da bioeletricidade , demonstrando que a eletricidade era o meio pelo qual as células nervosas transmitiam sinais aos músculos. A bateria de Alessandro Volta , ou pilha voltaica , de 1800, feita de camadas alternadas de zinco e cobre, fornecia aos cientistas uma fonte de energia elétrica mais confiável do que as máquinas eletrostáticas usadas anteriormente.
Desenvolvimentos do século 19
A engenharia elétrica se tornou uma profissão no final do século XIX. Os praticantes criaram uma rede global de telégrafo elétrico e as primeiras instituições de engenharia elétrica a apoiar a nova disciplina foram fundadas no Reino Unido e nos Estados Unidos. Embora seja impossível localizar com precisão um primeiro engenheiro elétrico, Francis Ronalds está à frente do campo, que criou um sistema de telégrafo elétrico em 1816 e documentou sua visão de como o mundo poderia ser transformado pela eletricidade. Mais de 50 anos depois, ele ingressou na nova Society of Telegraph Engineers (que logo seria renomeada para Institution of Electrical Engineers ), onde foi considerado por outros membros como o primeiro de seu grupo. A doação de sua extensa biblioteca elétrica foi um benefício considerável para a incipiente Sociedade.
O desenvolvimento da base científica da engenharia elétrica, com as ferramentas das modernas técnicas de pesquisa, intensificou-se ao longo do século XIX. Desenvolvimentos notáveis no início deste século incluem o trabalho de Georg Ohm , que em 1827 quantificou a relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial em um condutor, Michael Faraday , o descobridor da indução eletromagnética em 1831. Na década de 1830, Georg Ohm também construiu um máquina eletrostática precoce. O gerador homopolar foi desenvolvido primeiro por Michael Faraday durante seus memoráveis experimentos em 1831. Foi o início dos dínamos modernos - isto é, geradores elétricos que operam usando um campo magnético. A invenção do gerador industrial , que não precisava de energia magnética externa em 1866 por Werner von Siemens, possibilitou uma grande série de outras invenções posteriores.
Em 1873, James Clerk Maxwell publicou um tratamento unificado de eletricidade e magnetismo em A Treatise on Electricity and Magnetism, que estimulou vários teóricos a pensar em termos de campos descritos pelas equações de Maxwell . Em 1878, o inventor britânico James Wimshurst desenvolveu um aparelho que tinha dois discos de vidro montados em dois eixos. Foi só em 1883 que a máquina de Wimshurst foi mais amplamente divulgada à comunidade científica.
Durante a última parte de 1800, o estudo da eletricidade foi amplamente considerado um subcampo da física . Foi somente no final do século 19 que as universidades começaram a oferecer cursos de engenharia elétrica. Em 1882, a Darmstadt University of Technology fundou a primeira cadeira e a primeira faculdade de engenharia elétrica em todo o mundo. No mesmo ano, com o professor Charles Cross, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts começou a oferecer a primeira opção de Engenharia Elétrica dentro de um departamento de física. Em 1883, a Darmstadt University of Technology e a Cornell University introduziram os primeiros cursos do mundo em engenharia elétrica e, em 1885, a University College London fundou a primeira cadeira de engenharia elétrica no Reino Unido . A Universidade de Missouri posteriormente estabeleceu o primeiro departamento de engenharia elétrica nos Estados Unidos em 1886.
Durante este período, o uso comercial de eletricidade aumentou dramaticamente. A partir do final da década de 1870, as cidades começaram a instalar sistemas elétricos de iluminação pública em grande escala baseados em lâmpadas de arco . Após o desenvolvimento de uma lâmpada incandescente prática para iluminação interna, Thomas Edison ligou a primeira empresa pública de fornecimento de energia elétrica do mundo em 1882, usando o que era considerado um sistema de corrente contínua de 110 volts relativamente seguro para abastecer os clientes. Os avanços da engenharia na década de 1880, incluindo a invenção do transformador , levaram as concessionárias de energia elétrica a adotar a corrente alternada , até então usada principalmente em sistemas de iluminação de arco, como um padrão de distribuição para iluminação interna e externa (eventualmente substituindo a corrente contínua para tais fins ) Nos Estados Unidos, havia uma rivalidade, principalmente entre um sistema Westinghouse AC e o sistema Edison DC, conhecido como a " guerra das correntes ".
"Em meados da década de 1890, as quatro" equações de Maxwell "foram reconhecidas como a base de uma das teorias mais fortes e bem-sucedidas de toda a física; haviam tomado seu lugar como companheiras, até mesmo rivais, das leis da mecânica de Newton. As equações também estavam sendo colocados em uso prático, de forma mais dramática na nova tecnologia emergente de comunicações de rádio, mas também nas indústrias de telégrafo, telefone e energia elétrica. " No final do século 19, os números do progresso da engenharia elétrica estavam começando a surgir.
Charles Proteus Steinmetz ajudou a fomentar o desenvolvimento da corrente alternada que possibilitou a expansão da indústria de energia elétrica nos Estados Unidos, formulando teorias matemáticas para engenheiros.
Surgimento do rádio e da eletrônica
Durante o desenvolvimento do rádio , muitos cientistas e inventores contribuíram para a tecnologia e a eletrônica do rádio . Em seus experimentos UHF clássicos de 1888, Heinrich Hertz demonstrou a existência de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio ) levando muitos inventores e cientistas a tentar adaptá-las para aplicações comerciais, como Guglielmo Marconi (1895) e Alexander Popov (1896).
A comunicação de ondas milimétricas foi investigada pela primeira vez por Jagadish Chandra Bose durante 1894-1896, quando ele atingiu uma frequência extremamente alta de até 60 GHz em seus experimentos. Ele também introduziu o uso de junções semicondutoras para detectar ondas de rádio, quando patenteou o detector de cristal de rádio em 1901.
Desenvolvimentos do século 20
John Fleming inventou o primeiro tubo de rádio, o diodo , em 1904.
Reginald Fessenden reconheceu que uma onda contínua precisava ser gerada para possibilitar a transmissão da fala e, no final de 1906, ele enviou a primeira transmissão de voz por rádio. Também em 1906, Robert von Lieben e Lee De Forest desenvolveram independentemente o tubo amplificador, chamado triodo . Edwin Howard Armstrong possibilitando a tecnologia para televisão eletrônica , em 1931.
No início da década de 1920, havia um interesse crescente no desenvolvimento de aplicações domésticas para eletricidade. O interesse público levou a exibições como as "casas do futuro" e, no Reino Unido, a Electrical Association for Women foi criada com Caroline Haslett como sua diretora em 1924 para incentivar as mulheres a se envolverem com a engenharia elétrica.
Anos da segunda guerra mundial
A segunda guerra mundial viu avanços tremendos no campo da eletrônica; especialmente no radar e com a invenção do magnetron por Randall e Boot na Universidade de Birmingham em 1940. A localização por rádio , a comunicação por rádio e a orientação por rádio de aeronaves foram desenvolvidas nessa época. Um dos primeiros dispositivos de computação eletrônica, o Colossus foi construído por Tommy Flowers do GPO para decifrar as mensagens codificadas da máquina de cifragem alemã Lorenz . Nessa época, também foram desenvolvidos transmissores e receptores clandestinos avançados de rádio para uso por agentes secretos.
Uma invenção americana na época era um dispositivo para embaralhar as ligações telefônicas entre Winston Churchill e Franklin D. Roosevelt . Isso era chamado de sistema Green Hornet e funcionava inserindo ruído no sinal. O ruído foi então extraído na extremidade receptora. Este sistema nunca foi quebrado pelos alemães.
Uma grande quantidade de trabalho foi realizada nos Estados Unidos como parte do Programa de Treinamento de Guerra nas áreas de localização de direção de rádio, redes lineares pulsadas, modulação de frequência , circuitos de tubo de vácuo , teoria de linha de transmissão e fundamentos de engenharia eletromagnética . Esses estudos foram publicados logo após a guerra no que ficou conhecido como 'Série de Comunicação de Rádio' publicada pela McGraw-Hill em 1946.
Em 1941, Konrad Zuse apresentou o Z3 , o primeiro computador totalmente funcional e programável do mundo.
Anos pós-guerra
Antes da Segunda Guerra Mundial , o assunto era comumente conhecido como ' engenharia de rádio ' e estava principalmente restrito a aspectos de comunicação e radar, rádio comercial e televisão inicial. No momento, o estudo de engenharia de rádio nas universidades só poderia ser realizado como parte de um curso de física.
Mais tarde, nos anos do pós-guerra, à medida que os dispositivos de consumo começaram a ser desenvolvidos, o campo se ampliou para incluir TV moderna, sistemas de áudio, Hi-Fi e, mais tarde, computadores e microprocessadores. Em 1946 surgiu o ENIAC (Integrador Numérico Eletrônico e Computador) de John Presper Eckert e John Mauchly , dando início à era da computação. O desempenho aritmético dessas máquinas permitiu aos engenheiros desenvolver tecnologias completamente novas e alcançar novos objetivos, incluindo as missões Apollo e o pouso da NASA na lua .
Em meados da década de 1950, o termo engenharia de rádio gradualmente deu lugar ao nome engenharia eletrônica , que então se tornou uma disciplina autônoma de graduação na universidade, geralmente ensinada junto com a engenharia elétrica com a qual havia se tornado associada devido a algumas semelhanças.
Eletrônica de estado sólido
O primeiro transistor de trabalho foi um transistor de ponto de contato inventado por John Bardeen e Walter Houser Brattain enquanto trabalhava com William Shockley no Bell Telephone Laboratories (BTL) em 1947. Eles então inventaram o transistor de junção bipolar em 1948. Enquanto os primeiros transistores de junção eram relativamente dispositivos volumosos que eram difíceis de fabricar em uma base de produção em massa , eles abriram a porta para dispositivos mais compactos.
O processo de passivação de superfície , que estabilizou eletricamente as superfícies de silício via oxidação térmica , foi desenvolvido por Mohamed M. Atalla na BTL em 1957. Isso levou ao desenvolvimento do chip de circuito integrado monolítico . Os primeiros circuitos integrados foram o circuito integrado híbrido inventado por Jack Kilby na Texas Instruments em 1958 e o chip de circuito integrado monolítico inventado por Robert Noyce na Fairchild Semiconductor em 1959.
O MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico ou transistor MOS) foi inventado por Mohamed Atalla e Dawon Kahng na BTL em 1959. Foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que poderia ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usa. Ele revolucionou a indústria eletrônica , tornando-se o dispositivo eletrônico mais utilizado no mundo. O MOSFET é o elemento básico na maioria dos equipamentos eletrônicos modernos e tem sido fundamental para a revolução eletrônica, a revolução microeletrônica e a revolução digital . O MOSFET foi, portanto, considerado o nascimento da eletrônica moderna e, possivelmente, a invenção mais importante da eletrônica.
John Bardeen , William Shockley , Walter Brattain - transistor (1947)
Mohamed M. Atalla - passivação de silício (1957) e transistor MOSFET (1959)
Robert Noyce - chip de circuito integrado monolítico (1959)
Dawon Kahng - transistor MOSFET (1959)
Gordon Moore -
lei de Moore (1965)
Federico Faggin - MOSFET de porta de silício (1968) e microprocessador (1971)
Marcian Hoff - microprocessador (1971)
Masatoshi Shima , Stanley Mazor - microprocessador (1971)
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O MOSFET tornou possível construir chips de circuito integrado de alta densidade . Atalla propôs pela primeira vez o conceito de chip de circuito integrado MOS (MOS IC) em 1960, seguido por Kahng em 1961. O primeiro chip experimental MOS IC a ser fabricado foi construído por Fred Heiman e Steven Hofstein nos RCA Laboratories em 1962. Tecnologia MOS habilitada Lei de Moore , a duplicação dos transistores em um chip IC a cada dois anos, prevista por Gordon Moore em 1965. A tecnologia MOS de porta de silício foi desenvolvida por Federico Faggin na Fairchild em 1968. Desde então, o MOSFET tem sido o bloco de construção básico do moderno eletrônicos. A produção em massa de MOSFETs de silício e chips de circuito integrado MOS, junto com a miniaturização de escala contínua de MOSFET em um ritmo exponencial (conforme previsto pela lei de Moore ), desde então levou a mudanças revolucionárias na tecnologia, economia, cultura e pensamento.
O programa Apollo que culminou com o pouso de astronautas na Lua com a Apollo 11 em 1969 foi habilitado pela adoção da NASA de avanços na tecnologia eletrônica de semicondutores , incluindo MOSFETs na Plataforma de Monitoramento Interplanetário (IMP) e chips de circuito integrado de silício no Computador de Orientação Apollo (AGC).
O desenvolvimento da tecnologia de circuito integrado MOS na década de 1960 levou à invenção do microprocessador no início da década de 1970. O primeiro microprocessador single-chip foi o Intel 4004 , lançado em 1971. Ele começou com o " Busicom Projeto" como Masatoshi Shima 'três-chip s CPU projeto em 1968, antes de a Sharp ' s Tadashi Sasaki concebeu um projeto CPU single-chip , que ele discutiu com Busicom e Intel em 1968. O Intel 4004 foi então projetado e realizado por Federico Faggin na Intel com sua tecnologia MOS de porta de silício, junto com Marcian Hoff e Stanley Mazor da Intel e Masatoshi Shima da Busicom. Isso deu início ao desenvolvimento do computador pessoal . O 4004, um processador de 4 bits , foi seguido em 1973 pelo Intel 8080 , um processador de 8 bits , que possibilitou a construção do primeiro computador pessoal, o Altair 8800 .
Veja também
Referências
links externos
- Prêmios Nobel relacionados à Engenharia Elétrica (patentes relevantes incluídas)
- Choque e pavor: a história da eletricidade - Jim Al-Khalili BBC Horizon
- Eletrickery , BBC Radio 4 Discussion with Simon Schaffer, Patricia Fara & Iwan Morus ( In Our Time , 4 de novembro de 2004)