1.1: Temas

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 85344

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Objetivos de aprendizaje

Introducción al estudio de la ingeniería eléctrica y algunos de los puntos históricos de interés que formaron la base de estudio en el campo.
Discusión sobre temas generales del plan de estudios del departamento de ingeniería eléctrica.

Desde sus inicios a finales del siglo XIX, la ingeniería eléctrica ha florecido desde centrarse en los circuitos eléctricos para la energía, la telegrafía y la telefonía hasta enfocarse en una gama mucho más amplia de disciplinas. Sin embargo, los temas subyacentes son relevantes hoy en día: La creación y transmisión de energía y la información han sido los temas subyacentes de la ingeniería eléctrica durante siglo y medio. Este curso se concentra en este último tema: la representación, manipulación, transmisión y recepción de información por medios eléctricos. Este curso describe qué es la información, cómo los ingenieros cuantifican la información y cómo las señales eléctricas representan la información.

La información puede tomar una variedad de formas. Cuando hablas con un amigo, tus pensamientos son traducidos por tu cerebro en comandos motores que hacen que varios componentes del tracto vocal —la mandíbula, la lengua, los labios— se muevan de manera coordinada. La información surge en tus pensamientos y está representada por el discurso, que debe tener una estructura bien definida, ampliamente conocida para que alguien más pueda entender lo que dices. Las expresiones transmiten información en ondas de presión sonora, que se propagan al oído de tu amigo. Ahí, la energía sonora se convierte de nuevo en actividad neuronal, y, si lo que dices tiene sentido, ella entiende lo que dices. Tus palabras podrían haber sido grabadas en un disco compacto (CD), enviadas por correo a tu amiga y escuchadas por ella en su estéreo. La información puede tomar la forma de un archivo de texto que escriba en su procesador de textos. Podrías enviar el archivo por correo electrónico a un amigo, quien lo lee y lo entiende. Desde el punto de vista teórico de la información, todos estos escenarios son equivalentes, aunque las formas de representación de la información —ondas sonoras, plásticos y archivos informáticos— son muy diferentes.

Los ingenieros, a quienes no les importa el contenido de la información, categorizan la información en dos formas diferentes: analógica y digital. La información analógica es de valor continuo; ejemplos son audio y video. La información digital es de valor discreto; los ejemplos son texto (como lo que estás leyendo ahora) y secuencias de ADN.

La conversión de señales portadoras de información de una forma de energía a otra se conoce como conversión o transducción de energía. Todos los sistemas de conversión son ineficientes ya que parte de la energía de entrada se pierde como calor, pero esta pérdida no significa necesariamente que se pierda la información transportada. Conceptualmente podríamos usar cualquier forma de energía para representar información, pero las señales eléctricas son especialmente adecuadas para la representación de la información, la transmisión (las señales se pueden transmitir desde antenas o enviarse a través de cables) y la manipulación (los circuitos se pueden construir para reducir el ruido y las computadoras se pueden usar para modificar información). Así, nos ocuparemos de cómo

representar todas las formas de información con señales eléctricas,
codificar información como voltajes, corrientes y ondas electromagnéticas,
manipular señales eléctricas portadoras de información con circuitos y computadoras, y
recibir señales eléctricas y convertir la información expresada por señales eléctricas de nuevo en una forma útil.

La telegrafía representa el primer sistema de información eléctrica, y data de 1837. En ese momento, la ciencia eléctrica era en gran parte empírica, y solo aquellos con experiencia e intuición podían desarrollar sistemas telegráficos. La ciencia eléctrica llegó a la mayoría de edad cuando James Clerk Maxwell proclamó en 1864 un conjunto de ecuaciones que, según él, gobernaban todos los fenómenos eléctricos. Estas ecuaciones predijeron que la luz era una onda electromagnética, y que la energía podría propagarse. Debido a la complejidad de la presentación de Maxwell, el desarrollo del teléfono en 1876 se debió en gran parte al trabajo empírico. Una vez que Heinrich Hertz confirmó la predicción de Maxwell de lo que ahora llamamos ondas de radio en aproximadamente 1882, las ecuaciones de Maxwell fueron simplificadas por Oliver Heaviside y otros, y fueron ampliamente leídas. Esta comprensión de los fundamentos condujo a una rápida sucesión de invenciones —el telégrafo inalámbrico (1899), el tubo de vacío (1905) y la radiodifusión— que marcaron el verdadero surgimiento de la era de las comunicaciones.

Durante la primera parte del siglo XX, la teoría de circuitos y la teoría electromagnética fueron todas un ingeniero eléctrico que necesitaba saber para estar calificado y producir diseños de primer nivel. En consecuencia, la teoría de circuitos sirvió como base y marco de toda la educación en ingeniería eléctrica. A mediados de siglo, tres “inventos” cambiaron las reglas básicas. Estas fueron la primera demostración pública de la primera computadora electrónica (1946), la invención del transistor (1947), y la publicación de Una teoría matemática de la comunicación de Claude Shannon (1948). Aunque concebidas por separado, estas creaciones dieron origen a la era de la información, en la que los sistemas de comunicación digital y analógica interactúan y compiten por las preferencias de diseño. Unos veinte años después, se inventó el láser, lo que abrió aún más posibilidades de diseño. Así, el enfoque principal pasó de cómo construir sistemas de comunicación (la era de la teoría de circuitos) a lo que se pretendía lograr los sistemas de comunicaciones. Solo una vez que se especifica el sistema previsto se puede seleccionar una implementación. El ingeniero eléctrico de hoy debe ser consciente del objetivo final del sistema y comprender las compensaciones entre las alternativas digitales y analógicas, y entre las configuraciones de hardware y software en el diseño de sistemas de información.