FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA GRADO I. I. Tecnologías Informáticas

1. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA GRADO I. I. Tecnologías Informáticas Prof. Norge Cruz Hernández

2. Tema 0. Presentación de la asignatura. 0.1 ¿Quién es el profesor? y ¿Qué nos impartirá? 0.2 Temario de la asignatura. 0.3 Exámenes y reglas del juego. 0.4 Preguntas para obtener puntos extras. Preguntas de reto.

3. 0.1 ¿Quién es el profesor? y ¿Qué nos impartirá? Asignatura: Fundamentos Físicos de la Informática Año del plan de estudio: 2010 Asignatura cuatrimestral (primer cuatrimestre). Primer cuatrimestre (Febrero-Junio): Electromagnetismo, Circuitos de Corriente Continua y Alterna, Ondas electromagnéticas, Semiconductores y dispositivos básicos. (6 créditos ECTS). Profesor: Dr. Norge Cruz Hernández (http://www.personal.us.es/norge/ ) Despacho: G0.40 E-mail: norge@us.es

4. 0.2 Temario de la asignatura. Tema 0. Magnitudes físicas y vectores. (1 hora) 0.1 Introducción 0.2 Magnitudes físicas. Unidades. Análisis dimensional 0.3 Magnitudes escalares y vectoriales. Tipos de vectores. 0.4 Suma de vectores. Componentes de un vector. Vectores unitarios. 0.5 Producto escalar y vectorial. Tema 1. Electrostática. (8 horas) Ley de Coulomb, Campo eléctrico de una carga puntual, Potencial y energía potencial, Campo eléctrico y potencial de distribuciones de Carga, Ley de Gauss, Campos electrostáticos uniformes, Conductores en equilibrio en el campo electrostático, Condensadores, Dieléctricos, Energía del campo eléctrico.

5. Tema 2. Circuitos de corriente continua. (6 horas) Corriente eléctrica. Intensidad, Ley de Ohm, Resistencia, Ley de Joule, Fuerza Electromotriz, Leyes de Kirchhoff, Transitorio RC. Tema 3. Magnetostática (6 horas) Campo magnético, Fuerza de Lorentz y Aplicaciones, Fuerza sobre conductores, Ley de Biot-Savart, Ley de Ampère, Campos magnéticos de interés, Magnetismo en la materia. Tema 4. Campos variables en el tiempo (5 horas) Ley de Faraday-Lenz, Autoinducción e inducción mutua, Energía asociada al campo magnético, Transitorio RL.

6. Tema 5. Circuitos de corriente alterna (6 horas) Generador de corriente alterna, Aspectos generales de señales armónicas, Fasores (resistencias, condensadores y bobina en corriente alterna), Impedancia, Potencia en corriente alterna, Leyes Kirchhoff, Estudio de circuitos elementales en función de la frecuencia. Tema 6. Ondas electromagnéticas (6 horas) Conceptos generales, Ondas armónicas, Interferencia y difracción, Ondas estacionarias, Ley de Ampère-Maxwell, Características de las ondas electromagnéticas, Intensidad de ondas electromagnéticas, Generación y recepción de ondas electromagnéticas, El espectro electromagnético. Tema 7. Dispositivos semiconductores (3 horas) Conductores, semiconductores y aislantes, Unión pn en equilibrio, Descripción cualitativa de las corrientes en la unión PN polarizada, Ecuación del diodo, Transistor MOSFET.

7. 2 de los temas 1, 2 y 3 2 de los temas 4, 5, 6 y 7 0.3 Exámenes y reglas del juego (Teoría). Exámenes Final del cuatrimestre: 10 puntos 4 Preguntas Parcial 1: Examen de los temas 1, 2y 3. Para tenerlo en cuenta es necesario obtener más de 5 puntos. Parcial 2: Examen de los temas 4, 5, 6y 7. Para tenerlo en cuenta es necesario obtener más de 5 puntos.

8. 0.4 Preguntas para obtener puntos extras. Preguntas de reto. La revista “ThePhysicsTheacher” (http://tpt.aapt.org/) publica cada mes una pregunta en el apartado “PHYSICS CHALLENGE FOR TEACHERS AND STUDENTS”. En el siguiente mes, se publica el nombre de los alumnos/profesores que han enviado y aceptado la solución al problema planteado. El alumno que logre poner su nombre en la revista tendrá 1 punto extra para el examen final.

9. ¿Algún alumno de la Escuela Politécnica Superior ha logrado poner su nombre en la revista? SI !!!! Problema propuesto en TPT en el mes de Abril de 2011. ÁNIMO!!!!

10. Grupos de prácticas de laboratorio Grupo L13 Profesor: Norge Cruz Hernández Horario: Miércoles (alternos) 15:30 - 17:20. El primer Mié. 26/2/2014 Lugar: Laboratorio G0.34 Grupo L14 Profesor: Norge Cruz Hernández Horario: Miércoles (alternos) 19:40 - 21:30. El primer Mié. 26/2/2014 Lugar: Laboratorio G0.34

11. Grupos de prácticas de laboratorio Grupo L15 Profesor: Norge Cruz Hernández Horario: Miércoles (alternos) 15:30 - 17:20. El primer Mié. 5/3/2014 Lugar: Laboratorio G0.34 Grupo L16 Profesor: Norge Cruz Hernández Horario: Miércoles (alternos) 19:40 - 21:30. El primer Mié. 5/3/2014 Lugar: Laboratorio G0.34

12. Grupos de prácticas de laboratorio Cada alumno deberá escribir al profesor (norge@us.es) indicando los siguientes datos: • Nombre y Apellidos del alumno • Grupo de prácticas al que quiere pertenecer • Si tiene pareja de práctica, indicar el nombre y apellidos de la pareja • Si no tiene pareja de prácticas, el profesor le asignará una pareja En el caso de que algunos grupos queden con muchos alumnos, el profesor se reserva el derecho de asignar cualquier grupo al alumno. Finalmente, las listas de los grupos de prácticas se publicarán en el link: http://personal.us.es/norge/indexdoc.html

13. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA GRADO I. I. Tecnologías Informáticas Tema 0. Magnitudes Físicas y Vectores. Prof. Norge Cruz Hernández

14. Tema 0. Magnitudes Físicas y Vectores. 0.1 Introducción 0.2 Magnitudes físicas. Unidades. Análisis dimensional 0.3 Magnitudes escalares y vectoriales. Tipos de vectores. 0.4 Suma de vectores. Componentes de un vector. Vectores unitarios. 0.5 Producto escalar y vectorial.

15. Bibliografía Clases de teoría: - Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11. Clases de problemas: - Boletín de problemas.

16. 0.2 Magnitudes físicas. Unidades. Análisis dimensional. Un número empleado para describir cuantitativamente un fenómeno físico es una cantidad física. Al medir una cantidad, siempre la comparamos con un estándar de referencia. Este estándar define una unidad de la cantidad. Por ejemplo: Si decimos que el largo de una mesa es 4.62 m, queremos decir que es 4.62 veces más largo que una unidad de medida, que en este caso es un metro. De esta forma, decir que la mesa mide 4.62 no tiene significado, será necesario decir la unidad, es decir, la mesa mide 4.62 m. El sistema de unidades empleado por los científicos e ingenieros en todo el mundo se le conoce desde 1960 con el nombre de : “Sistema Internacional, o SI”

17. Tiempo: La unidad actual (desde 1967) se basa en un reloj atómico que usa la diferencia de energía entre los dos estados más bajos del átomo de cesio. Al bombardearse con microondas de cierta frecuencia exacta, el átomo sufre una transición entre dichos estados. Se define un segundo como el tiempo que tardan 9,192,631,770 ciclos de esta radiación. Longitud: En la actualidad, el metro se define como la distancia que recorre la luz a la velocidad en el vacío (299,792,458 m/s) durante un tiempo igual a 1/299,792,458 segundos. Masa: El estándar de masa es el kilogramo, y se define como la masa de cierto cilindro de aleación platino-iridio guardado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, cerca de París. El gramo (que no es una unidad fundamental) es 0.001 kilogramos.

18. Prefijos de unidades: Definidas las unidades fundamentales, es fácil introducir unidades adicionales más grandes o más pequeñas para las mismas cantidades. Los nombres de las unidades adicionales se obtienen agregando un prefijo al nombre de la unidad fundamental. Longitud: 1 nanómetro = 1 nm = 10-9 m 1 micrómetro = 1 µm = 10-6 m 1 milímetro = 1 mm= 10-3 m 1 centímetro = 1 cm = 10-2 m 1 kilómetro = 1 km = 103 m Masa: 1 microgramo = 1 µg = 10-6 g = 10-9 kg 1 miligramo = 1 mg= 10-3 g = 10-6 kg 1 gramo = 1 g = 10-3 kg Tiempo: 1 nanosegundo = 1 ng = 10-9 s 1 microsegundo= 1 µs = 10-6 s 1 milisegundo = 1 ms=10-3 s

19. Consistencia y conversiones de unidades: Las ecuaciones planteadas deben ser dimensionalmente consistentes. No podemos sumar manzanas y coches; solamente podemos sumar manzanas con manzanas y coches con coches. Por ejemplo: un cuerpo que viaja a velocidad v recorrerá una distancia d durante el intervalo de tiempo t, en forma de ecuación se escribirá: Si sustituimos las unidades correspondientes a cada variable, debe ocurrir que ambos miembros de la ecuación serán consistentes. Así,

20. Unidades fundamentales del SI metro m kilogramo kg segundo s kelvin K amperio A mol mol

21. Unidades suplementarias y derivadas del SI Unidades suplementarias del SI Unidades derivadas

22. Indique las dimensiones y unidades (nombre y símbolo) en el SI (Sistema Internacional) de las de las siguientes magnitudes físicas: [M] [L] [T-2] Newton N [M] kilogramo kg [M] [L-1] [T-2] Pascal Pa [M] [L2][T-2] Julio J [T] segundo s [L2] metro cuadrado m2 Watio [M] [L2] [T-3] W [L3] metro cúbico m3 [M] [L2] [T-2] Julio J kilogramo por metro cúbico [θ] [M] [L-3] kg/m3 Kelvin k metro por segundo adimensional [L] [T-1] m/s radianes rad radianes por segundo metro por segundo cuad. [L] [T-2] [T-1] rad/s m/s2

23. 0.3 Magnitudes escalares y vectoriales. Tipos de vectores. Cantidad escalar: Son cantidades físicas que se pueden describir plenamente con un número y una unidad. Cantidad vectorial: Son cantidades físicas que se tienen que describir con varios números: magnitud (el “qué tanto”) y dirección. Vectores paralelos: Son los vectores que tienen la misma dirección. La magnitud de un vector es el módulo del vector : Vectores iguales: son los vectores que tienen igual dirección, magnitud y sentido.

24. Vectores antiparalelos: son dos vectores con igual dirección y sentidos opuestos, independientemente de las magnitudes de estos. Negativo de un vector: un vector es el negativo de otro vector cuando tienen igual magnitud, dirección, y sentidos opuestos. Es un caso particular de un vector antiparalelo.

25. 0.4 Suma de vectores. Componentes de un vector. Vectores unitarios. Suma de vectores: La suma de un vector A y un vector B se obtiene al colocar A, y a continuación B, y el vector suma será el vector que se origina en la cola de A y se dirige a la cabeza de B.

26. La suma de dos vectores es conmutativa.

27. La resta de dos vectores

28. El producto de un escalar por un vector.

29. Componentes de un vector Cada vector componente tiene la dirección de un eje de coordenadas, así solamente necesitamos un número para describirlo. De esta forma, cada vector A se puede definir como el par (Ax,Ay), conociendo además la dirección y sentido de cada vector componente.

30. Suma de vectores a través de sus componentes

31. Vector unitario: es un vector con magnitud 1, sin unidades. Su único fin es establecer una determinada dirección.

32. 0.5 Producto escalar y vectorial. Producto escalar: Se define el producto escalar entre dos vectores A y Bcomo la magnitud de A multiplicada por la componente de B paralela a A. El resultado será un valor escalar y se denota como: el producto escalar es conmutativo En forma numérica esta definición se escribe de la forma:

33. Producto escalar empleando los vectores unitarios

35. Producto vectorial: Se define el producto vectorial entre dos vectores A y Bcomo un vector perpendicular al plano formado por A y B, con una magnitud igual a A·B·sen(A,B) y se escribe de la forma: regla de la mano derecha el producto vectorial NO es conmutativo

36. Producto vectorial empleando los vectores unitarios

39. Interpretación geométrica del producto vectorial: β α λ área(αβλ)=

40. 1- Realizar los siguientes cambios de unidades: • Expresar 9.81 m/s2 en km/min2 • convertir 700 mm de mercurio en atm. • ¿cuántos kg/m3 son 1 g/l? 2- Halle las dimensiones de las siguientes magnitudes en el SI, e indique también si son magnitudes escalares o vectoriales: velocidad, aceleración, fuerza, volumen, trabajo, superficie, densidad, presión, energía cinética, energía potencial gravitatoria.

41. 3- Utilizando el análisis dimensional, averiguar cuál de las siguientes fórmulas físicas es la correcta: donde a es la aceleración, v la velocidad y R la distancia