Download Conducción de la corriente eléctrica en los metales

DEPARTAMENTO DE FÍSICA. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROGRAMA ANALÍTICO
Asignatura: Física
Año: 2 
Semestre: 2 
Carrera: Ingeniería Informática
Duración: 80 horas
Objetivos Generales
-Objetivos educativos

Consolidar y ampliar en el estudiante las concepciones dialéctico materialistas del
mundo a partir de la descripción de los cuadros electromagnético y mecanocuántico,
analizando los modelos fundamentales del electromagnetismo y la física atómica como
abstracciones del objeto físico.

Contribuir a formar hábitos de enfoque partidista a través de la aplicación del
materialismo dialéctico e histórico en la aplicación e interpretación de las posiciones
fundamentales de las teorías electromagnética y mecanocuántica, leyes, principios y
teorías de la asignatura.

Contribuir a formar una personalidad integral, desarrollando a través de las clases
prácticas, laboratorios y seminarios, hábitos y capacidades relacionados con la
constancia en el estudio, el trabajo científico, una actitud crítica ante el resultado de su
trabajo, la defensa y presentación del mismo fruto de una actividad independiente y
correctamente organizada.
-Objetivos instructivos

Describir los rasgos fundamentales de los cuadros electromagnético y mecanocuántico,
estableciendo sus límites de validez.

Aplicar las leyes de Gauss y Ampere en forma integral en problemas de alta simetría,
en los casos estacionarios y en el vacío, analizando la influencia de la sustancia y
caracterizar el fenómeno de la inducción electromagnética mediante la ley de Faraday.
Describir cualitativamente los estados de polarización de la luz, la birrefringencia y el
dicroismo así como la interferencia y la difracción de Fraunhofer a partir del modelo
ondulatorio electromagnético.


Describir desde el punto de vista de la mecánica cuántica el estado de una
micropartícula en un pozo de potencial rectangular de paredes infinitamente altas.
Comparar utilizando estos resultados las bases de las descripciones clásica y cuántica
de los sistemas de partículas.

Conocer los principios físicos del funcionamiento de los principales dispositivos que
forman parte de las microcomputadoras.

Aplicar el método de trabajo experimental de la disciplina, utilizando los instrumentos
de medición de intensidad de corriente, tensión eléctrica, ángulos, longitudes, tiempos,
escalas vernier (montando o utilizando la instalación experimental), expresando los
resultados de mediciones directas e indirectas por intervalos de confianza y procesando
la información gráfica con el método de los mínimos cuadrados
Contenidos
Sistema de conocimientos
Tema 1. Campos eléctrico y magnético estáticos.
Vectores intensidad de campo eléctrico e inducción magnética. La fuerza de Lorentz. Campos
eléctrico y magnético estáticos. Leyes fundamentales. La ley de Gauss. Dieléctricos. Polarización
de un dieléctrico. Capacitancia. Leyes de Biot - Savart y Ampere. El magnetismo como efecto
relativista. Corriente eléctrica continua. Fuerza electromotriz. Reglas de Kirchhoff.
Tema 2. Inducción electromagnética, oscilaciones electromagnéticas y
ecuaciones de Maxwell.
Inducción electromagnética. Fem de movimiento. Ley de Faraday. Circuito RL. Magnéticos:
clasificación de los magnéticos. Ferromagnéticos. El lazo de histéresis y los dominios magnéticos.
Principios físicos de las memorias magnéticas. Circuitos oscilantes. Circuitos RLC libre y forzado.
Resonancia. Circuitos de corriente alterna. Ecuaciones de Maxwell. Ondas electromagnéticas. El
vector de Poynting. El espectro electromagnético.
Tema 3. Óptica ondulatoria.
Modelo ondulatorio electromagnético de la luz. Polarización de la luz.
Cristales líquidos. Interferencia por una rendija doble. Coherencia. Interferencia en películas
delgadas transparentes.
Difracción de la luz. Redes de difracción. Dispersión angular y poder separador.
Tema 4. Introducción a la mecánica cuántica.
Propiedades corpusculares de la radiación. Radiación térmica. Efecto fotoeléctrico. Naturaleza
ondulatoria de las partículas. Hipótesis de de Broglie. Comprobación experimental de dicha
naturaleza. Relaciones de incertidumbre de Heisenberg. Principio de correspondencia. Función de
onda. Ecuación de Schrödinger. Efecto túnel. Bandas de energía. Conducción de la corriente
eléctrica en los semiconductores. Unión p – n. El transistor bipolar. El transistor de efecto de
campo. Memorias semiconductoras. Principio de funcionamiento del láser.
Sistema de habilidades
Calcular el vector intensidad de campo electrostático en los casos de distribuciones de carga
esférica, cilíndrica y plana.
Determinar cargas inducidas en superficies conductoras para los casos del aspecto anterior.
Calcular capacitancias de capacitores con las simetrías anteriores.
Resolver circuitos lineales sencillos, analíticamente y utilizando un programa de simulación de
circuitos.
Determinar la polaridad de la fem inducida y el sentido de la corriente inducida mediante la regla
de Lenz. Aplicar la ley de Faraday para calcular fem y corrientes inducidas en casos sencillos.
Resolver circuitos RLC libres y forzados de una sola malla. Calcular los vectores de campo a partir
de las ecuaciones de Maxwell en forma integral.
Interpretar los resultados de la aplicación de la ecuación de Schrödinger al caso del pozo de
potencial rectangular de paredes infinitamente altas y el sólido cristalino.
Calcular patrones de interferencia en el dispositivo de doble abertura de Young. Resolver
problemas sencillos de diseño de redes planas de difracción. Comparar las bases de las
descripciones clásica y cuántica de los sistemas de partículas.
Medir magnitudes eléctricas y montar circuitos sencillos a partir de un esquema de trabajo.
Inferir dependencia de los resultados experimentales de los errores sistemáticos, procesando
datos para mediciones directas por intervalos de confianza.
Construir gráficos y realizar ajustes de curvas (aproximación lineal) por el método de los mínimos
cuadrados.
Valores
Desarrollar en el estudiante la responsabilidad, la tenacidad y la firmeza durante el trabajo en la
asignatura por la via de la interpretación de fenómenos físicos, la solución de problemas y el
desarrollo de tareas de laboratorio.
Inculcar la búsqueda de la verdad, le eficacia y la honestidad durante el desarrollo del proceso
docente- educativo en la asignatura.
Estimular el desarrollo de la modestia, la sencillez y la sensibilidad humana a través del ejemplo y
en el estudio de algunos aspectos de la historia de la Física y las aplicaciones de la disciplina en la
especialidad.
Estimular el desarrollo de la creatividad y un enfoque independiente en la solución de diferentes
problemas.
Indicaciones metodológicas.
Se debe evitar la repetición, con el mismo nivel de profundidad y asimilación, de los contenidos
tratados en la enseñanza media.
Debe hacerse un tratamiento sistémico de las ecuaciones de Maxwell para la descripción del
movimiento electromagnético en su modelo clásico, en el vacío y revelando sistemáticamente las
limitaciones de este modelo.
Se debe enfocar el estudio del movimiento cuántico de la sustancia en los diferentes sistemas
físicos a partir de un método que revele su unidad: la interpretación de las soluciones de la
ecuación de Schrödinger para una energía potencial y condiciones de frontera dadas.
Los aspectos teóricos de los contenidos corriente eléctrica continua y polarización de la luz
se orientan para el estudio individual y se ejercitarán en los laboratorios o clases prácticas.
La formación de valores en todas las dimensiones debe estar presente a lo largo de la asignatura.
La asignatura deberá utilizar como tipos de clase las conferencias, las clases prácticas, los
seminarios y las prácticas de laboratorio. Se sugiere realizar como mínimo seis prácticas de
laboratorio real y utilizar los experimentos virtuales como preparación para estas prácticas. En
caso de la asignatura para la universalización, si no se dispone de laboratorios reales toda la
experimentación tendrá que ser virtual.
Debe incrementarse la presencia de métodos de aprendizaje colaborativo en las diferentes formas
organizativas del proceso de enseñanza–aprendizaje.
En la preparación de los seminarios y los trabajos vinculados a grupos de investigación debe
potenciarse el trabajo con INTRANET e INTERNET.
Se deben instrumentar y desarrollar el uso de plataformas interactivas y otras herramientas
similares.
Aunque se ha declarado en uno de los objetivos del curso el conocimiento de los principios físicos
del funcionamiento de los dispositivos que forman parte de las microcomputadoras y algunos de
estos dispositivos se mencionan explícitamente en el sistema de conocimientos, no se hace
alusión a todos debido al rápido cambio de las tecnologías. En cada caso será necesario analizar
que dispositivos incluir de acuerdo a la estructura de las computadoras. El principio rector en
todos los casos será tomar a la microcomputadora como contexto para la enseñanza de la Física.
El sistema de evaluación de la asignatura se conforma así: cuatro seminarios evaluados, dos
pruebas intrasemestrales y una evaluación promediada del laboratorio que incluye las
calificaciones de las prácticas. También existe un examen final.
El sistema debe diseñarse para que la evaluación cumpla con sus funciones: motivacional, de
diagnóstico, informativa, de control y que sirva de base a la retroalimentación del proceso docente
educativo.
Bibliografía

Texto básico: Física Universitaria, Vol. II. Partes 1 y 2 novena edición (Sears, Zemansky,
Young y Freedman)
2. Textos complementarios:




Ortega Breto, J y otros. Electromagnetismo, oscilaciones y ondas, parte teórica Ediciones
ENPES, La Habana, 1990
López Pressmanes, J, Castillo Sosa, U y Fernández Valdés, J.L., Experimentos de
Electricidad y Magnetismo, Manual de Prácticas de Física II, Ediciones del ISPJAE, 1983
Vallés Campdesuñer, M y otros. Prácticas de Laboratorio de Física III, Editora ISPJAE, 1987
Cartaya Saíz, O. Introducción al Laboratorio de Física, Fundamentos de la teoría de
errores, Editorial Pueblo y Educación, 1986
DISTRIBUCIÓN DE HORAS POR TEMAS
TEMA
1
2
3
4
TOTALES
C
6
6
4
8
24
CP
6
10
6
10
32
S
2
2
4
P
1
1
1
1
4
L
4
4
4
4
16
TOTALES
19
21
17
23
80
SUMARIOS DE LAS CONFERENCIAS Y EJEMPLOS RECOMENDADOS PARA LAS CLASES
PRÁCTICAS
C1. El campo eléctrico
Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Vector intensidad de campo eléctrico. Líneas de fuerza.
Movimiento de una partícula cargada bajo la acción de un campo eléctrico. Potencial
electrostático. Flujo del vector intensidad de campo eléctrico. La ley de Gauss.
Bibliografía: Texto ep. 22-1 al 22-6, 22-8 y 9,23-1 al 23-6
Ejemplos 22-7/682 y 22-8/683, 23-6/716 y 23-7/717
C2. El campo magnético
Campo magnético. Fuerza magnética sobre una partícula en movimiento. Fuerza de
Lorentz. Fuerza sobre conductores con corriente. El espectrógrafo de masa. El ciclotrón. La
ley de Biot Savart Laplace.
Bibliografía: Texto ep. 28-1 al 28-8 y 29-3
Ejemplos 28-1/ 870 y 28-5/879
C3. Dieléctricos. Ley de Ampère
Potencial eléctrico. Capacitancia y dieléctricos. El magnetismo como efecto relativista.
Carácter solenoidal del campo magnético. La ley de Ampere.
Bibliografía: Texto ep. 24-1 al 24-3, 24-5 y 24-6, 25-1 al 25-7 y 29-7
Ejemplos 25-3/774 y 25-4/775
C4.Inducción electromagnética
Descripción del fenómeno: experimentos de Faraday. Ley de Faraday. Regla de Lenz.
Carácter relativo de los campos eléctrico y magnético. Fem autoinducida. Circuito
RL. Magnéticos.
Bibliografía: Texto ep. 30-1 al 30-6, 31-1 al 31-5, 29-9 (Autoestudio)
Ejemplos 30-1/944, 30-3/946 y 30-7/949
C5. Oscilaciones electromagnéticas.
Circuito RLC libre (Análisis cualitativo y cuantitativo de las oscilaciones
electromagnéticas ). Circuito LC. Circuito RLC forzado. Resonancia. Corrientes alternas.
Potencia en los circuitos de corriente alterna.
Bibliografía: Texto ep. 31-6 y 31-7, 32-1 al 32-6
Ejemplos 31-7/981, 31-9/986, 31-11/988 y 32-3/1003
C6. Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
Corriente de desplazamiento; campo magnético inducido. Sistema de ecuaciones de
Maxwell. Ecuación diferencial de la onda electromagnética. Ondas electromagnéticas
planas. Generación de una onda electromagnética. Transporte de energía y vector de
Poynting.
Bibliografía: Texto ep. 29-10, 30-8, 33-1 al 33-9
Ejemplo 33-3/1038
C7.Interferencia de la luz
Interferencia y fuentes coherentes. Experimento de Young. Intensidad de la
interferencia por una rendija doble. Interferencia en películas delgadas. Cambio de fase
en la reflexión.
Bibliografía: Texto ep. 37-1 al 37-6
Ejemplos 37-1/1144 y 37-4 / 1150
C8.Difracción de la luz
Difracción de Fresnel y de Fraunhofer. Difracción por una ranura. Cálculo de la
intensidad. Difracción en redes.
Bibliografía: Texto ep. 38-1 al 38-6
Ejemplos 38-4 y 38-5 / 1177
C9. Propiedades corpusculares de la radiación
El efecto fotoeléctrico. Fórmula de Einstein. Radiación de cuerpo negro. Ley de StefanBoltzmann. Ley de desplazamiento de Wien. Ley de la radiación de Planck.
Bibliografía: Texto ep. 40-3 y 40-9
Ejemplos 40-3 / 1235 y 40-10 /1259
C10. Naturaleza ondulatoria de las partículas
Ondas de de Broglie. Difracción de electrones. Principio de incertidumbre para la posición
y la cantidad de movimiento y la energía y el tiempo. Funciones de onda.
Bibliografía: Texto ep. 41-1 al 41-6
Ejemplos 41- 3 y 41-4/1277
C11. Ecuación de Schrödinger
Función de onda y ecuación de Schrödinger. Caso de la partícula en un pozo de
potencial rectangular de paredes infinitamente altas. Barreras de potencial y efecto
túnel. Principio de correspondencia. Principio de funcionamiento del láser.
Bibliografía: Texto ep. 42-1 al 42-5 y 40-7
Ejemplos 42-1/1291 y 42-5/1300
C12.Semiconductores
Bandas de energía. Conductores, aislantes y semiconductores. Semiconductores con
impurezas. Dispositivos semiconductores: unión p-n, transistores, circuitos integrados. .
Bibliografía: Texto ep. 44-5, 44-7 y 44-8
COLECCIÓN DE PREGUNTAS Y PROBLEMAS SUGERIDOS PARA LAS CLASES
PRÁCTICAS
CP1 Movimiento de partículas en el campo eléctrico. Ley de Gauss
Ejercicios 22-25, 26, 29 y 30/698, pregunta 23-8/725
Problemas 23-25, 26, 27 y 33/727, 23-35 y 36/728
CP2 Movimiento de partículas en campos eléctrico y magnético
Ejercicios 28-14, 15, 17, 19, 21, 22 y 23/895, 28-24/896
CP3 Capacitancia. Ley de Ampere
Ejercicio 25-35/794, problemas 25-56, 57 y 58/796, ejercicios 29-23/934, 29-25, 27 y 28/935
CP4 Inducción electromagnética 1
Ejercicios 30-2, 3 y 7/965, 30-13 y 14/965, 30-18, 20 y 21/966
CP5 Inducción electromagnética 2
Ejercicio 30-25/966. Problemas 30-38 y 41/968, 30-43, 44 y 47/969 y 30-49/970
CP6 Circuitos RL y LC
Ejercicios 31-21,23, 28 y 30/992, problemas 31-53, 54 y 55/994, 31-57 y 59/995
CP7 Circuitos RLC libres y forzados
Ejercicios 31-35/992, 32-7/1020, 32-9, 11 y 13/1020, 32-23, 26 y 28/1021
CP8 Ondas electromagnéticas
Ejercicios 33-6, 7 y 8/1050, problemas 33-34 y 41/1051, 33-43, 44 y 45/1052
CP 9 Interferencia de la luz
Ejercicios 37-8, 9, 13 y 15 / 1161, problemas 37-38 y 41 / 1163
Ejercicios 37- 19/1161 y 37-20/1162
CP 10 Interferencia y difracción de la luz
Ejercicios 37-21/ 1162, problemas 37-44, 45 y 46 / 1163
Preguntas 38-1 y 3 /1188, ejercicios 38-2, 3 y 5 / 1189
CP 11 Difracción de la luz
Ejercicios 38-21 al 38-26 / 1190, problemas 38-47 y 49 / 1192
CP 12 Propiedades corpusculares de la radiación
Ejercicios 40-2, 6, 8, 9 y 10 / 1263, problemas 40-46 y 47 / 1266
Ejercicios 40-35, 36 y 38 / 1265
CP13 Relaciones de indeterminación
Ejercicios 41-12, 13, 15 y 16 / 1287, problema 41-23 / 1287
Problemas 41-37, 38 y 41 / 1288
CP14 Ecuación de Schrödinger
Preguntas 42-1 y 42-4 / 1309, ejercicios 42-2, 3, 4 y 6 / 1310, 42-19 y 20 / 1311
CP15 Ecuación de Schrödinger. Principio de funcionamiento del láser
Problemas 42-27, 28 y 29 / 1311, 42-38 / 1312
Ejercicios 40-23, 25 y 26 / 1264
CP16 Semiconductores
Ejercicios 44-13 y 15 / 1372, 44-26 y 27 /1373
Temas para los seminarios.
Seminario No. 1 Movimiento de partículas en campos eléctrico y magnético.
Objetivo: Describir las aplicaciones de las desviaciones de partículas cargadas en campos
eléctricos y magnéticos.
 Describir el principio de funcionamiento del tubo de rayos catódicos ( epígrafe 24-7)
Obtener la expresión de la desviación de los electrones (y)
 Describir la acción de la “botella magnética”. Hacer énfasis en el concepto de frecuencia de
ciclotrón (epígrafe 28-5).

Explicar otras aplicaciones del movimiento de partículas cargadas en campos eléctrico y
magnético como el selector de velocidad y el espectrómetro de masas (epígrafe 28-6).
Seminario No. 2 Polarización de la luz.
Objetivos: Describir los estados de polarización de la luz, la birrefringencia y el dicroísmo.
Basar el seminario en el siguiente cuestionario:
1. ¿Qué es una onda (electromagnética) linealmente polarizada? Escriba e interprete cada término
de la ecuación del vector intensidad de campo eléctrico para el caso de una onda electromagnética
plana sinusoidal que se propaga en la dirección x.
2. ¿Qué es la luz no polarizada o natural? ¿Qué es un filtro polarizador? Defina los términos eje de
polarización y polarizador ideal.
3. Plantee e interprete la ley de Malus. ¿A qué tipo de luz incidente se aplica?
4. ¿En qué consiste la polarización por reflexión y refracción? Enuncie e interprete la ley de
Brewster.
5. ¿Qué es la polarización circular? ¿Y la polarización elíptica?
Además se incluyen los siguientes ejercicios y problemas: ejercicios 34-16, 17, 18 y 19 / 1079
Problemas 34-38, 39 y 40 / 1081, 34-43 / 1082.
Trabajo opcional: Explicar aplicaciones de la polarización de la luz y los cristales líquidos al
funcionamiento de las microcomputadoras y a otros dispositivos análogos.
Física
1
C1 El campo eléctrico
2
C2 El campo magnético
DISTRIBUCIÓN DE ACTIVIDADES
Informática
CP1 Movimiento de partículas en el campo
eléctrico. Ley de Gauss
CP2 Movimiento de partículas en campos
eléctrico y magnético
L1
Introducción
3
C3 Dieléctricos. Ley de Ampere
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
C4 Inducción electromagnética
CP 4 Inducción electromagnética 1
C5 Oscilaciones electromagnéticas
CP6 Circuitos RL y LC
C6 Ecuaciones de Maxwell y OEM.
C7 Interferencia
C8 Difracción
CP 11 Difracción de la luz
C9 Propiedades corpusculares de la
radiación
C10 Relaciones de incertidumbre
14
15
16
C11Ecuación de Schrödinger
CP14 Ecuación de Schrödinger
C12 Semiconductores
S1 Movimiento de partículas en campos
eléctrico y magnético
CP3 Capacitancia. Ley de Ampere
CP 5 Inducción electromagnética 2
P 1 hasta inducción electromagnética
CP7 Circuitos RLC libre y forzado
CP 8 Ondas electromagnéticas
CP 9 Interferencia de la luz
CP10 Interferencia y difracción de la luz
S2 Polarización de la luz
CP12 Propiedades corpusculares de la
radiación
P 2 OEM, óptica, propiedades
corpusculares de la radiación
CP 13 Relaciones de incertidumbre
CP15 Ecuación de Schrödinger. Láser
CP16 Semiconductores
L2 Virtual
L3
L4
L5
L6
L7
L8