Simulación de Propiedades de la Materia

Transcripción

1 Simulación de Propiedades de la Materia Guía de Aprendizaje Información al estudiante 1. Datos Descriptivos Asignatura Materia Departamento responsable Simulación de Propiedades de la Materia. M15: Optativa Tecnologías Especiales Aplicadas a la Telecomunicación Créditos ECTS 4,5 Carácter Titulación Curso Especialidad Optativa Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación Tercero / Segundo No aplica Curso académico Semestre en que se imparte Idioma en que se imparte Segundo Semestre Castellano Página Web 1

2 DESCRIPCIÓN DE LA ASIGNATURA La Asignatura Laboratorio Virtual de Simulación de Propiedades de la Materia se desarrolla utilizando una nueva metodología de simulación basada en el uso de distintos paquetes informáticos, con el objetivo fundamental de complementar y reforzar la formación del alumno en el comportamiento y las propiedades microscópicas y macroscópicas de la materia. La visualización interactiva de los procesos mediante estas simulaciones ayuda a fijar y reconocer los comportamientos de las propiedades cuánticas de la materia, desde el comportamiento microscópico de ondas y partículas hasta propiedades de los sólidos. Algunos de los conceptos que se utilizan en las Prácticas, se imparten en diversas asignaturas fundamentales del nuevo Plan de Estudios del Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación, permitiendo ser comprobados mediante la simulación que se lleva a cabo usando un portal web propio de la asignatura como laboratorio virtual. Cada una de las Prácticas de Simulación conlleva una explicación teórica por el profesor, accesible además en el portal web, de los fundamentos físicos de las propiedades que se van a visualizar, para comprender adecuadamente el desarrollo de las prácticas semanales. El desarrollo de las actividades será eminentemente práctico y el trabajo de los alumnos se organizará por parejas en el Aula HP de la Escuela, conectada con el portal web de la asignatura. Todas las prácticas son independientes y cada una de ellas utiliza su propio paquete informático para la realización. 2

3 2. Profesorado NOMBRE Y APELLIDO DESPACHO Correo electrónico Perla Wahnon Benarroch A-034 perla@etsit.upm.es 3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir con normalidad la asignatura Asignaturas superadas N/A Otros resultados de aprendizaje necesarios N/A 3

4 4. Objetivos de Aprendizaje COMPETENCIAS ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Y SU NIVEL DE ADQUISICIÓN Código Competencia Nivel CG1- CG13 CEB3 CEB4 CECT3 Todas las asignaturas del Plan de Estudios contribuyen en mayor o menor medida a la consecución de las competencias generales del perfil de egreso. Comprensión y dominio de los conceptos básicos sobre las leyes generales de la mecánica cuántica y de las ondas y electromagnetismo y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería. Comprensión de los principios físicos de los semiconductores y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería. Que los estudiantes adquieran la capacidad de utilizar herramientas informáticas de búsqueda de recursos bibliográficos o de información relacionada con las telecomunicaciones y la electrónica LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Básico Nivel de adquisición 2: Medio Nivel de adquisición 3: Avanzado 4

5 RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Código Resultado de aprendizaje Competencias asociadas Nivel de adquisición RA1 Capacidad para explicar los conceptos fundamentales relacionados con las propiedades de la materia, utilizando una terminología científica apropiada CG1, CG2, CG3, CG4, CG7,CG8 3 RA2 RA3 Capacidad para obtener y deducir propiedades y características de la materia mediante el uso de programas informáticos de simulación. Comprender la relación entre las estructuras electrónicas y las propiedades de los semiconductores CEB3 2 CEB4 2 RA4 Comprensión de la importancia del conocimiento de los procesos cuánticos fundamentales como base de conocimiento para las tecnologías actuales. CEB3, CECT3 1 5

6 5. Sistema de evaluación de la asignatura INDICADORES DE LOGRO Ref I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 Indicador Conocimiento del comportamiento estático y dinámico de los paquetes de ondas gaussianos. Comprensión de la propagación de las ondas en distintos medios y saber aplicarlo al cálculo de espesores de capas. Saber simular el comportamiento de partículas sometidas a distintos tipos de potenciales y poder determinar frecuencias de oscilación atómicas. Ser capaz de determinar la frecuencia de vibración de una molécula basándose en el modelo del oscilador armónico. Conocer el comportamiento de las funciones atómicas y saber medir las energías de los niveles cuánticos del átomo de H. Comprender las propiedades electrónicas de moléculas y agregados y saber modelarlos. Conocer el comportamiento cuántico de los electrones en un solido, así como la formación de bandas de energías. Comprender las propiedades electrónicas de los distintos tipos de semiconductores. Entender los diagramas de energías. Comprensión de la dinámica de redes cristalinas reales y sus ecuaciones de movimiento. Conocer los diagramas de dispersión de las distintas estructuras. Conocer el comportamiento térmico de los sólidos a distintas temperaturas y los distintos modelos de simulación. Conocer los diferentes materiales magnéticos, sus características y sus propiedades. Entender las curvas de histéresis de los materiales ferromagnéticos. Relacionado con RA RA1, RA2 RA1, RA2 RA1, RA2 RA1, RA2 RA1, RA2 RA1, RA2 RA3, RA4 RA3, RA4 RA3, RA4 RA3, RA4, RA3, RA4 6

7 EVALUACION SUMATIVA Breve descripción de las actividades evaluables Momento Lugar Asistencia y participación activa en clase y Evaluaciones continua semanales de las practicas de simulación por parejas Evaluación final individual Todo el semestre Todo el semestre Fecha convenida Aula HP Aula de clase HP Peso en la calif. 60% Aula HP 40% Total: 100% CRITERIOS DE CALIFICACIÓN Se califica mediante evaluación continua teniendo en cuenta la asistencia y participación a las clases. La asistencia a las prácticas de simulación es obligatoria. La evaluación de los conocimientos adquiridos se realiza semanalmente al finalizar cada práctica, realizada en pareja, mediante la contestación de un cuestionario personalizado en el portal web de la asignatura con los resultados obtenidos en la práctica (60). La evaluación final individual se realizara el ultimo día de la asignatura y consistirá en una práctica (s) de simulación similar a las realizadas durante el curso pero hecha de forma individual por cada alumno (40%). En cumplimiento de la Normativa de la Universidad Politécnica de Madrid, los alumnos que lo deseen serán evaluados mediante una única prueba final, siempre y cuando hayan realizados las prácticas y lo comuniquen al coordinador de la asignatura mediante solicitud presentada en el registro de la ETSI Telecomunicación antes del 15 de octubre de La presentación de este escrito supondrá la renuncia automática a la evaluación continua. La evaluación de la asignatura en su convocatoria extraordinaria se realizará mediante una única prueba final, con independencia de la opción elegida en la convocatoria ordinaria y siempre que hayan realizado las prácticas durante el curso. La asignatura se superará cuando se obtenga una calificación de 5.0 puntos o más sobre un total de 10 puntos. 7

8 6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje CONTENIDOS ESPECÍFICOS Bloque / Tema / Capítulo Apartado Indicadores Relacionados 1.1 Introducción I1 1. Partícula libre. Dualismo Onda- Partícula 1.2 Generación de un paquete gaussiano I1 1.3 Principio de incertidumbre I1 1.4 Propagación, dispersión y normalización del paquete de ondas I1 2. Transmisión y Reflexión en Pozos y Barreras de Potencial 2.1 Reflexión de un paquete de ondas por un pozo de potencial 2.2 Coeficiente de Transmisión para ondas monocromáticas y paquetes gaussianos 2.3 Barrera de potencial. Deformación del paquete de ondas 2.4 Aplicación: Determinación del espesor de una capa de óxido. I2 I2 I2 I2 3.1 Potencial cuadrado I3 3 Sistemas de Pozos de Potencial 3.2 Sistemas de doble pozo. I3 3.3 Efecto Túnel I3 3.4 Determinación de la frecuencia de oscilación del N en el NH 3 I3 4.1 Introducción I4 4. El Oscilador Armónico en Mecánica Cuántica 4.2 Vibración de una molécula diatómica I4 4.3 Energías y Funciones propias del oscilador 4.4 Determinación teórica y práctica de la frecuencia de oscilación del H 2 I4 I4 8

9 5.1 Introducción I5 5. El átomo de Hidrógeno: Energía, Radio y Funciones Atómicas 5.2 Desarrollo de la Función de Schroedinger 5.3 Valores propios y números cuánticos I5 5.4 Radio y energía del átomo de Hidrógeno I5 I5 5.5 Funciones de probabilidad radial y angular I5 6.1 Formación de orbitales moleculares I6 6. Formación de Moléculas, Agregados y Sólidos 6.2 Moléculas diatómicas y poliatómicas I6 6.3 Agregados y Microsólidos I6 6.4 Formación de impurezas I6 7. Bandas de Energías en Sólidos. 7.1 Modelo cuántico de gas de electrones libres 7.2 Modelo cuántico de electrones no libres. Teoría de bandas I7 I7 7.3 Teorema de Bloch I7 7.4 Modelo de potencial de Kronig- Penney I7 8. Diagramas de Bandas para distintos Materiales 8.1 Formación de bandas de energías I8 8.2 Efectos de la barrera y del potencial I8 8.3 Formación de Bandas con impurezas I8 8.4 Efectos de superficie I8 9.1 Introducción I9 9. Dinámica de redes. Vibraciones de los sólidos 9.1 Vibración de una cadena lineal monoatómica 9.2 Vibración de una cadena lineal biatómica 9.3 Determinación de las vibraciones de una red tridimensional 9.4 Densidad de estados de vibración. Modos fonónicos. I9 I9 I9 I9 9

10 10.1 Teoría clásica del calor específico I Modelos de Calor Específico en los sólidos 10.2 Modelo de Einstein I Modelo de Debye I Determinación de curvas de Calor Específicos para distintos materiales I Introducción I Propiedades y Características de los Materiales Magnéticos 12. Materiales Ferromagnéticos 11.2 Momentos magnéticos I Campos magnéticos, inducción magnética y magnetización 11.4 Comportamiento magnético de los materiales. Dominios magnéticos Propiedades de los materiales ferromagnéticos I11 I11 I Ciclo de Histéresis I Efecto de la Temperatura. Ley de Curie. I11 10

11 7. Breve descripción de las modalidades organizativas utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados CLASES TEÓRICAS PRÁCTICAS TRABAJOS AUTÓNOMOS TRABAJOS EN GRUPO TUTORÍAS La exposición del contenido teórico de la asignatura, basada en medio audiovisuales, se realizará mediante lección magistral. Los alumnos agrupados en parejas, resolverán en el laboratorio virtual interactivo conectado en el Aula HP, las 12 prácticas propuestas, utilizando los diferentes programas informáticos puestos a disposición del alumno en el portal Web de la asignatura. Los alumnos elaborarán y entregarán a través de la Plataforma Web las evaluaciones individuales de cada una de las prácticas realizadas. Los alumnos deberán comprender los contenidos teóricos explicados antes de realizar las prácticas y resolver diversos ejercicios de cálculo individualmente. Antes de comenzar una nueva práctica, los alumnos junto al profesor resolverán en grupo las dudas surgidas en la práctica anterior. Además, los alumnos tienen a su disposición en el portal de la asignatura un foro de discusión en grupo. Los alumnos tendrán acceso a las tutorías personalizadas, cuando sean solicitadas al profesor en los horarios previamente establecidos y de forma interactiva permanentemente mediante el portal web de la asignatura. 11

12 8. Recursos didácticos RECURSOS DIDÁCTICOS Guión del contenido temático completo, teórico y práctico, de la asignatura. Manual de usuario de la Plataforma. Disponible en el servidor de la asignatura: Simulación de Propiedades de la Materia. Fundamentos Teóricos I. P. Wahnón. Ed. ETSI Telecomunicación. (2003). BIBLIOGRAFÍA Manual de Prácticas de Simulación de Propiedades de la Materia. Módulos I y II. P. Wahnón y col. Ed. ETSI Telecomunicación, (2000). Física Cuántica, Atomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos y Partículas. R. Eisberg & R. Resnick. Ed: Limusa Askeland, D.R., La ciencia de los materiales, Ed. Grupo Editorial Iberoamericano Introducción a la Física del Estado Sólido. Ch. Kittel. 3ª edición. Ed.: Reverté. RECURSOS WEB EQUIPAMIENTO Página web de la asignatura: ( ) Aula HP de la Escuela con ordenadores personales conectados al portal web de la asignatura. Servidor propio conteniendo la Plataforma de la asignatura. Proyector para las exposiciones teóricas 12

13 9. Cronograma de trabajo de la asignatura Semana Actividades en Aula HP Teórica Actividades en Aula HP Prácticas en parejas Trabajo Individual Trabajo en Grupo Actividades de Evaluación Otros Semana 1 Presentación y organización de la asignatura. Introducción a la simulación de propiedades de la materia. Bibliografía (1 h) Aperturas de cuentas en el portal web SPMT. Interfaz de usuario. Familiarización con los contenidos de la plataforma: Contenidos Docentes, Guiones de Prácticas, Programas, Foro, Agenda, etc. (2h) ( 5 horas) Semana 2 Tema 1: Partícula libre. Dualismo Onda-Partícula Aprendizaje manejo programa de simulación: QM Paquete de Ondas. Resolución de la Práctica 1 (1.75h) ( 5 horas) práctica 1 resuelta. Semana 3 (8 horas) Tema 2: Transmisión y Reflexión en Pozos y Barreras de Potencial (0,75 h) Resolución de la Práctica 2. Uso del programa de simulación QM Paquete de Ondas. evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 2 resuelta. Semana 4 Tema 3: Sistemas de Pozos de Potencial. Efecto Túnel. (0,75 h) Resolución de la Práctica 3. Uso del programa de simulación Ecuación de Schroedinger. evaluación practica anterior (0,25 h) portal para la práctica 3 resuelta. 13

14 Semana 5 Tema 4: El Oscilador Armónico en Mecánica Cuántica. Resolución de la Práctica 4. Manejo del programa de simulación Oscilador Armónico evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 4 resuelta. Semana 6 Tema 5: El Átomo de Hidrógeno. Resolución de la Práctica 5. Manejo del programa de simulación Átomo de Hidrógeno. evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 5 resuelta. Semana 7 Tema 6: Formación de Moléculas Agregados y Sólidos. Resolución de la Práctica 6. Manejo del programa de simulación Moléculas y Sólidos(LCAO) evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 6 resuelta. Semana 8 Tema 7: Bandas de Energía en los Sólidos. Resolución de la Práctica 7. Manejo del programa de simulación Solid State Physics (SSP). evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 7 resuelta. Semana 9 Tema 8: Diagramas de Bandas para distintos materiales. Resolución de la Práctica 8. Uso del programa de simulación Solid State Physics (SSP).. evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 8 resuelta. Semana 10 ( 8 horas Tema 9: Dinámica de Redes. Resolución de la Práctica 9. Uso del programa de simulación Phonons Dispersion(Phonons) evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 9 resuelta. 14

15 Semana 11 Tema 10: Modelos de Calor Específicos en los Sólidos. Resolución de la Práctica 10. Uso del programa de simulación Lattice Specific Heat of Solids (spheat). evaluación practica anterior (0,25 h) práctica10 resuelta. Semana 12 Tema 11: Características de los Materiales Magnéticos Resolución de la Práctica 11. Manejo del programa de simulación Ferromagnetismo (Ising). evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 11 resuelta. Semana 13 Tema 12: Materiales Ferromagnéticos. Resolución de la Práctica 12. Uso del programa de simulación Ferromagnetismo (Ising). evaluación practica anterior (0,25 h) práctica 12 resuelta. Semana 13 ( 14 horas) Ejercitación y repaso de los programas de prácticas (3 horas) 10 horas Semana 15 ( 3 horas) Práctica para evaluación final individual. Evaluación final individual on-line teórico-práctica (3 horas ) Observaciones: 1: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno. Se estiman 27 horas de dedicación del alumno por ECTS. 2: Las semanas reseñadas lo son de docencia efectivas ( no las del calendario) 15

16 16