Programa

FACULTAD DE CIENCIAS.
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y MATERIALES
Id Curso: 23710. Período: I-2015
DESCRIPCIÓN.
En este curso se presentan visiones completas de la electrostática y de la magnetostática para
llegar a la formulación inicial del Electromagnetismo. Se hace una presentación y desarrollo
desde los modelos atómicos y los enlaces atómicos hasta llegar a las Ecuaciones de Maxwell y
busca que el estudiante logre un entendimiento conceptual de los principios físicos y mejore
su capacidad de análisis a través de la discusión y reflexión sobre situaciones o problemas
que le permitan aplicarlos.
OBJETIVOS.
Presentar la Electricidad y el Magnetismo como un modelo que permite la descripción y
explicación microscópica y macroscópica de los materiales con aplicaciones tecnológicas.
Permitir además la generación de un espacio de reflexión, a partir del análisis y el diseño de
procesos para la solución de problemas tecnológicos referentes a la Ingeniería.
Específicamente se busca que el estudiante logre:
1.1 Interpretar, distinguir y aplicar los conceptos básicos de Electricidad y Magnetismo para
el estudio y análisis de los modelos microscópicos de los materiales de interés en
Ingeniería.
1.2 Analizar e interpretar los resultados de procesos y desarrollos experimentales y procurar
la conceptualización sobre la utilización y operación de dispositivos eléctricos y
magnéticos.
1.3 Utilizar adecuadamente los modelos microscópicos de la sustancia para describir y
explicar las propiedades y fenómenos electromagnéticos de los materiales y sus múltiples
aplicaciones.
ESTRATEGIAS PEDAGÓGICAS.
Presentación y discusión conceptual de los fenómenos eléctricos y magnéticos, aclarando en
cada caso su origen, la evidencia experimental que lo verifica y los modelos experimentales y
teóricos desarrollados para su explicación.
Desarrollo de problemas experimentales de verificación donde el estudiante ponga en
práctica el trabajo en grupo, comprenda la fundamentación teórica de los diversos equipos y
aprenda el uso y manejo adecuado de ellos.
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Talleres de trabajo autónomo dirigido a través de los cuales el estudiante tiene la posibilidad
de desarrollar actividades para el análisis y solución de las situaciones ó problemas ideales
planteados.
Presentación de evaluaciones cortas, quices, donde el estudiante tiene la posibilidad de poner
en práctica la apropiación conceptual de la fundamentación teórica estudiada.
Presentación de trabajos asignados sobre diversas temáticas donde el estudiante tiene la
posibilidad de profundizar sus conocimientos mediante la búsqueda, selección y análisis de la
información y se entrene en obtener, analizar y procesar información por su propia cuenta.
CONTENIDOS TEMÁTICOS.
1. Teoría atómica de la sustancia y carga eléctrica. Los enlaces y materiales
conductores y dieléctricos.
2. Ley de Coulomb. Fuerza Eléctrica y energía eléctrica.
3. Campo eléctrico y potencial eléctrico. Ley de Gauss.
4. Capacitores. Materiales dieléctricos.
5. Corriente eléctrica. Materiales conductores.
6. Circuitos eléctricos de corriente continua.
7. Fuerza y Campo Magnético. Biot-Savart. Ampere. Materiales magnéticos e
híbridos.
8. Inducción magnética. Ley de Faraday.
9. Inductancia. Circuito RL. Corriente Alterna.
EVALUACIÓN.
A.
Primer examen parcial: 20% (16 puntos el parcial y 4 puntos de cuises
semanales) realizado entre el 9 y 11 de marzo (7° sem).
B.
Segundo examen parcial: 20% (16 puntos el parcial y 4 puntos de cuises
semanales) realizado entre el 27 y 29 de abril (13° sem).
C.
Examen final: 30% realizado entre el 25 y el 27 de mayo (17° sem).
D.
Trabajo autónomo dirigido en Laboratorio: 20%
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E.
Nota de trabajo en clase y fuera de ella: 10%. Talleres de ejercicios semanales,
trabajos asignados y cuises semanales del último período.
Nota: Todos los exámenes se aplicarán en el aula de clase a la hora de la clase y serán
elaborados y calificados por el profesor de la asignatura.
BIBLIOGRAFÍA:
TEXTO GUÍA
Tipler Paul. A. & Mosca Gene, Física para la Ciencia y la Tecnología, vol. 2, 6ta. Edición.
Reverté. Barcelona. 2008.
TEXTOS COMPLEMENTARIOS.
Sears, F.W. et al. Física Universitaria, vol. 2. Décima Segunda Edición. Pearson. México
D.F. 2009.
Halliday, D., Resnick, R. Física, vol. 2. 5a. Edición. CECSA. México D.F.2005
Hans C. Ohanian y John T. Markert. Física para Ingeniería y Ciencias, vol. 2, Tercera
Edición. Mc Graw Hill.
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APÉNDICE I: CONTENIDO DETALLADO.
Unidad I. TEORÍA ATÓMICA DE LA SUSTANCIA Y CARGA ELÉCTRICA. (4
horas)
La Física y el mundo Físico: estados y cambios de estado de la materia.
Estructura Atómica de la Materia. Modelos atómicos de: Thomson, Rutherford,
Bohr, Schrödinger, Sommerfeld y Dirac.
La carga eléctrica y sus propiedades: conservación, cuantización, naturaleza y origen
de la carga.
Estructura electrónica del átomo y enlaces atómicos: iónicos, covalentes y metálicos.
Cuerpos Conductores y Aislantes. Cuerpos cargados y descargados.
Importancia de las propiedades eléctricas de los materiales.
Videografía: http://htwins.net/scale2/lang.html , http://www.nobeliefs.com/atom.htm ,
http://youtu.be/Go44Vogkjs4 teoría y modelos atómicos, http://youtu.be/OUPRyzIWC6k
sobre el átomo, http://youtu.be/9PD4IOTDCTE , sobre estructura del átomo,
http://youtu.be/urB33TtMEPs sobre enlaces iónico, covalente y metálico.
Unidad II. LEY DE COULOMB. FUERZA ELÉCTRICA Y ENERGIA ELÉCTRICA.
(6 horas)
Distribuciones discretas de carga. Ley de Coulomb y principio de superposición.
Ejercicios de Aplicación.
Fuerza experimentada por una carga eléctrica debido a una distribución de cargas.
El dipolo eléctrico.
Trabajo realizado por la fuerza electrostática y la energía potencial eléctrica.
Unidad III. CAMPO ELÉCTRICO Y POTENCIAL ELECTRICO. LEY DE GAUSS.
(12 horas)
Concepto de campo eléctrico y sus propiedades. Líneas de campo eléctrico,
ilustraciones y ejemplos de aplicación.
Cálculo de campo eléctrico debido a distribuciones discretas y continuas de carga.
Concepto de densidad de carga (lineal, superficial y volumétrica).
Torque sobre un dipolo eléctrico en un campo eléctrico.
Movimiento de cargas puntuales en campos eléctricos. Ejercicios de aplicación.
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Flujo eléctrico y Ley de Gauss. Aplicaciones en la evaluación de campos
electrostáticos.
Campo eléctrico en la superficie de un conductor en condiciones electrostáticas.
Cálculo del potencial eléctrico y diferencia de potencial eléctrico debido a
distribuciones discretas y continuas de carga. Trabajo y energía electrostáticos.
Cálculo del campo eléctrico a partir del potencial eléctrico de una distribución de
cargas.
Aplicaciones e ilustraciones. Potencial y campo eléctrico debido a un dipolo.
Unidad IV. CAPACITORES. MATERIALES DIELÉCTRICOS. (8 horas)
Almacenamiento de carga y concepto de capacitancia. Unidades.
Prototipo de capacitores y cálculo de la capacitancia. Asociación de capacitores.
Los materiales dieléctricos y su uso en Ingeniería. Dipolos permanentes e inducidos;
conceptos básicos de polarización (electrónica, iónica y molecular).
Ferroelectricidad y piezoelectricidad; aplicaciones en Ingeniería.
Energía electrostática y densidad de energía en un condensador cargado. Ejercicios
de aplicación.
Ruptura de un dieléctrico. Ejercicios de aplicación.
PRIMER EXAMEN PARCIAL
LA SIGUIENTE UNIDAD SE DESARROLLARÁ COMPLETAMENTE EN LAS
AULAS DEL LABORATORIO.
Unidad
V.
CORRIENTE ELÉCTRICA.
CIRCUITOS DC.
MATERIALES
CONDUCTORES
Y
Corriente eléctrica y densidad de corriente. Resistividad y Conductividad de un
material.
Los materiales y su comportamiento: conductores, semiconductores, aislantes y
superconductores.
Descripción microscópica y macroscópica de la Ley de Ohm.
Fuerza electromotriz (fem) y resistencia interna de una fuente. Circuitos resistivos y
Reglas de Kirchhoff. Ejercicios de aplicación. Potencial eléctrica y superconductores.
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Instrumento Universal de Medición (principios de funcionamiento y conexiones del
Amperímetro, Voltímetro y Ohmímetro).
Carga y descarga de un Capacitor o circuito RC.
Unidad VI. FUERZA Y CAMPO MAGNÉTICO. LEY DE BIOT-SAVART. LEY DE
AMPERE. (12 horas)
El magnetismo y su desarrollo histórico. Campo magnético: propiedades y fuentes.
Fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga en movimiento.
Líneas de campo magnético. Inexistencia de monopolo magnético.
Ley de inexistencia de monopolos magnéticos.
Partículas cargadas en movimiento en presencia de un campo magnético. Efecto Hall.
Fuerza magnética sobre un elemento de corriente. Fuerza y momento de torsión
sobre una espira.
Momento magnético; dipolos magnéticos y funcionamiento de los imanes.
Campo magnético debido a una carga en movimiento y a un elemento de corriente.
Ley de Biot y Savart. Ilustraciones de aplicación.
Ley de Ampere y cálculo de campos magnéticos.
Propiedades magnéticas de la materia. Momentos magnéticos atómicos.
Materiales magnéticos y su clasificación. Conceptos de susceptibilidad y
permeabilidad magnéticas.
SEGUNDO EXAMEN PARCIAL
Unidad VII. INDUCCION ELECTROMAGNÉTICA. LEY DE FARADAY. (12
horas)
Fuerza electromotriz inducida; ley de Faraday y Ley de Lenz.
Fem inducida y campos eléctricos inducidos. Ejemplos de aplicación práctica.
(Alternador, motor eléctrico, etc.).
Corrientes parásitas.
Aparato Electromagnético.
Corriente de desplazamiento y Ecuaciones de Maxwell.
Conceptos de inductancia propia e inductancia mutua.
Energía de campo magnético y densidad de energía magnética.
Circuitos RL
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Unidad VIII. CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA. (8 horas)
Fuentes de corriente alterna CA. Resistores, inductores y capacitores en un circuito
CA. Concepto de Fasores.
Circuito RLC en serie.
Potencia y resonancia en un circuito de CA.
El transformador y la transmisión de energía.
PRÁCTICAS DE LABORATORIO.
En todo curso se debe realizar un mínimo de 13 prácticas de Laboratorio, seleccionadas
entre las propuestas por el Profesor y las convencionales, listadas a continuación:
LINEAS ESPECTRALES Y ESPECTROS DE ABSORCIÓN Y EMISIÓN.
FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS
LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
FUNDAMENTO FÍSICO DE FUNCIONAMIENTO Y MANEJO DEL
GALVANÓMETRO COMO INSTRUMENTO UNIVERSAL DE MEDICIÓN
LEY DE OHM
APLICACIÓN DE LAS REGLAS DE KIRCHHOFF PARA CIRCUITOS DE
CORRIENTE DIRECTA.
CUBO DE RESISTENCIAS
CIRCUITOS RC EN CONDICIONES DE CARGA Y DESCARGA
FUNDAMENTO FÍSICO DE FUNCIONAMIENTO Y MANEJO DEL
OSCILOSCOPIO
CAMPOS MAGNÉTICOS
FUERZA MAGNÉTICA Y BALANZA MAGNÉTICA
APARATO ELECTROMAGNÉTICO.
CIRCUITO RL.
CIRCUITO CA Y CIRCUITO RLC.
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