UNIVERSIDAD DE SONORA

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1 UNIVERSIDAD DE SONORA Unidad Regional Centro División de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia Asignatura: Electricidad y Magnetismo Antecedente: Cálculo Vectorial Créditos: 12 (5 h de teoría y 2 de taller) Clave: Consecuente: Ninguna Modalidad: Presencial Horas Semana: 7 Horas curso: 112 Modalidad enseñanza-aprendizaje: Curso / Taller Departamento de Servicio: Física Eje de formación: Básico Carácter: Obligatorio Autor(es): Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox Dr. Gabriel Cuevas Figueroa Competencias genéricas que fortalecer: Capacidad para realizar investigación básica y aplicada Pensamiento crítico Trabajo colaborativo Capacidad de aprender y actualizarse permanentemente Competencias específicas a desarrollar del docente: Resolver problemas utilizando las matemáticas y software de simulación como herramienta de ingeniería. Explica los fenómenos estudiados Identifica los parámetros eléctricos y magnéticos y hace mediciones de sus características. Presenta ejemplos y aplicaciones de los parámetros estudiados. Sustenta conclusiones de los experimentos realizados. Formula Proyectos de aplicaciones. Introducción: Es un curso introductorio a las leyes de la electricidad y del magnetismo que parte de las leyes de Coulomb, de Ampere y demás propiedades de los campos, construidas sobre bases empíricas, hasta formalizar las ecuaciones de Maxwell. El curso se divide en tres ramas temáticas, que son: a) Cargas eléctricas en reposo y campos eléctricos estáticos. b) Corrientes eléctricas de magnitud constante en el tiempo, imanes y campos magnéticos estáticos. c) Corrientes eléctricas de magnitud variable en el tiempo y campos electromagnéticos variables en el tiempo. Sus matemáticas básicas son el álgebra de vectores, el cálculo de varias variables y las ecuaciones diferenciales. Se introducen los conceptos de gradiente, divergencia, rotacional, integrales de línea, de superficie y de volumen para formular las leyes de la teoría electromagnética. Al cubrir las ondas electromagnéticas, este curso establece bases para la comprensión de la óptica. Es un curso útil para los estudiantes de ciencias e ingeniería porque permite comprender los aspectos fundamentales sobre los cuales descansa el uso de la energía eléctrica y gran parte de la tecnología moderna. Propósito: El conocimiento y la comprensión de los fenómenos Eléctricos y Magnéticos son fundamentales para el análisis de los circuitos eléctricos y electrónicos aplicados a los sistemas de comunicaciones. La asignatura establece las bases que les permiten a los estudiantes conocer los principios físicos de la electrostática, la electrodinámica, el magnetismo y el electromagnetismo; para su aplicación en el manejo de equipos, su influencia en el ambiente y la visión en el uso de las actuales tecnologías de comunicaciones. Objetivo General: El alumno analizará los conceptos, principios y leyes fundamentales del electromagnetismo y desarrollará su 176

2 capacidad de observación y su habilidad en el manejo de instrumentos experimentales a través del trabajo en grupo y aprendizaje cooperativo, con el fin de que pueda aplicar esta formación en la resolución de problemas relacionados, en asignaturas consecuentes y en la práctica profesional. Objetivos Específicos: Determinará campo eléctrico, diferencia de potencial y trabajo casiestático en arreglos de cuerpos geométricos con carga eléctrica uniformemente distribuida. Calculará la capacitancia de un sistema y la energía potencial eléctrica en él almacenada. Analizará el comportamiento de circuitos eléctricos resistivos, en particular, calculará las transformaciones de energías asociadas y obtendrá el modelo matemático que relaciona las variables involucradas. Determinará el campo magnético debido a distribuciones de corriente eléctrica, calculará la fuerza magnética sobre conductores portadores de corriente, obtendrá experimentalmente el modelo matemático que relaciona las variables físicas anteriores y comprenderá el principio de operación del motor de corriente directa. Determinará las inductancias de circuitos eléctricos y la energía magnética almacenada en ellos. Comprenderá el principio de operación del transformador eléctrico monofásico. Describirá las características magnéticas de los materiales. Unidades de Competencias Unidad de Competencia 1. Campo y potencial eléctricos 1.1. Concepto de carga eléctrica y distribuciones continuas de carga (lineal, superficial y volumétrica) Ley de Coulomb. Principio de superposición Concepto de campo eléctrico. Esquemas de campo eléctrico. 1.. Obtención de campos eléctricos originados por distribuciones discretas y continuas de carga (carga puntual, segmento de línea, superficie infinita, línea infinita) Concepto y definición de flujo eléctrico Ley de Gauss en forma integral y sus aplicaciones El campo electrostático y el concepto de campo conservativo Energía potencial eléctrica y definición de potencial eléctrico Cálculo de diferencias de potencial (carga puntual, segmento de línea, superficie infinita, placas planas y paralelas) El gradiente de potencial eléctrico. Unidad de Competencia 2. Capacitancia y dieléctricos 2.1. Concepto de capacitor y definición de capacitancia Cálculo de capacitancias (capacitor de placas planas y paralelas) Cálculo de la energía almacenada en un capacitor. 2.. Conexiones de capacitores; capacitor equivalente Polarización de la materia Concepto de rigidez dieléctrica Susceptibilidad, permitividad y permitividad relativa. Campo vectorial de desplazamiento eléctrico Discusión de los efectos del uso de dieléctricos en los capacitores y sus aplicaciones. Unidad de Competencia 3. Introducción a los circuitos eléctricos 3.1. Conceptos y definiciones de: corriente eléctrica, velocidad media de los portadores de carga libre y densidad de corriente eléctrica. 177

3 3.2. Obtención experimental de la Ley de Ohm; registro y tabulación de las variables: diferencia de potencial y corriente eléctrica. Obtención de la ecuación de una línea recta que represente los valores experimentales. Significado físico de la pendiente de la recta obtenida. Conductividad y resistividad. Variación de la resistividad con la temperatura en un resistor Ley de Joule. 3.. Conexiones de resistores; resistor equivalente Concepto y definición de fuerza electromotriz. Fuentes de fuerza electromotriz: ideales y reales Nomenclatura básica empleada en circuitos eléctricos Leyes de Kirchhoff y su aplicación en circuitos resistivos con fuentes de voltaje continuo Circuito RC en serie y sus aplicaciones. Unidad de Competencia. Magnetostática.1. Descripción de los imanes y experimento de Oersted..2. Fuerza magnética entre cargas en movimiento..3. Obtención de la expresión de Lorentz para determinar la fuerza electromagnética... Definición de campo magnético (B). Principio de superposición..5. Ley de Biot-Savart y sus aplicaciones. Cálculo del campo magnético (segmento de conductor recto, espira en forma de circunferencia, espira cuadrada, bobina, solenoide)..6. Concepto y definición de flujo magnético..7. Ley de Gauss en forma integral para el magnetismo..8. Circulación del campo magnético; ley de Ampere y sus aplicaciones. Cálculo del campo magnético (conductor recto y largo, solenoide largo, toroide de sección transversal rectangular)..9. Fuerza magnética entre conductores. Registro y tabulación de las variables: fuerza de origen magnético y corriente eléctrica que circula por un conductor recto. Ecuación de una línea recta que represente los valores experimentales. Significado físico de la pendiente de la recta obtenida..10. Principio de operación del motor de corriente directa. Unidad de Competencia 5. Inducción electromagnética 5.1. Ley de Faraday y principio de Lenz Fuerza electromotriz de movimiento Principio de operación del generador eléctrico. 5.. Conceptos de inductancia propia y mutua y de inductor Cálculo de inductancias (inductancia propia de un solenoide y de un toroide, inductancia mutua entre dos solenoides coaxiales) Principio de operación del transformador eléctrico Conexión de inductores en serie; inductor equivalente Energía en un inductor Circuitos RL y RLC en serie y sus aplicaciones. Unidad de Competencia 6. Fundamentos de las propiedades magnéticas de la materia 6.1. Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo Susceptibilidad, permeabilidad y permeabilidad relativa Definición de los vectores intensidad de campo magnético (H) y magnetización (M) y su relación con el campo magnético (B). 178

4 6.. Discusión de los efectos del uso de materiales en los inductores Circuitos magnéticos simples. Fuerza magnetomotriz y reluctancia. Bibliografía: Fernández-Mills, G., Electricidad, Teoría de Circuitos y Magnetismo, Alfaomega, ISBN-10: Jaramillo M., Gabriel A. y Alvarado C., Alfonso A., 200. Electricidad y Magnetismo 2a. Preedición. México, Facultad de Ingeniería, UNAM, Trillas. Padilla, M., Electricidad Y Magnetismo, Prentice Hall, ISBN-10: Sears, F., Zemansky, M., Young, H. y Freedman, R., Física Universitaria con física moderna, Vol. 2. Undécima edición. México, Pearson Educación. Serway, R., Jewett, J., Física, Electricidad y Magnetismo ISBN-10: Serway, Raymond A., Física 6a. Edición, México, Thomson, Tomo II. Benson, H., 200. Física Universitaria Vol. II, 1a Edición. México, Grupo Patria Cultural. Lea, S., Burke, J., Física: La naturaleza de las cosas Vol. II. México, International Thomson Editores. Popovic, Z. y Popovic, B., 200. Introducción al electromagnetismo, 1a Edición. México, Grupo Patria Cultural. Resnick, R., Halliday, D., y Krane, K., 200. Física volumen 2, 5a. Edición. México CECSA. Tipler, P., Física para la ciencia y la tecnología, a Edición. Barcelona, Editorial Reverté, S.A., Vol. II. Desarrollo de las competencias Resultados del aprendizaje Campo y potencial eléctricos Ley de Coulomb. Principio de superposición. Ley de Gauss en forma integral y sus aplicaciones. El gradiente de potencial eléctrico. Capacitancia y dieléctricos Concepto de capacitor y definición de capacitancia. Conexiones de capacitores; Actividades educativas SEMANA 1 SEMANA 2 Volumen de trabajo del estudiante calculado en horas SEMANA 3 SEMANA SEMANA 5 Tipo (básica o complementaria) Evaluación 179

5 capacitor equivalente. Introducción a los circuitos eléctricos Conceptos y definiciones de: corriente eléctrica, velocidad media de los portadores de carga libre y densidad de corriente eléctrica. Ley de Joule. Magnetostática Descripción de los imanes y experimento de Oersted. Ley de Biot-Savart y sus aplicaciones. Inducción electromagnética Ley de Faraday y principio de Lenz. Principio de operación del transformador eléctrico. Fundamentos de las propiedades magnéticas de la materia Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo. Discusión de los efectos del uso de materiales en los inductores. SEMANA 6 SEMANA 7 SEMANA 8 SEMANA 9 SEMANA 10 SEMANA 11 SEMANA 12 SEMANA 13 SEMANA 1 SEMANA 15 SEMANA 16 Primer examen Parcial Segundo examen Parcial Tercer examen Parcial Recursos necesarios para el o los ambientes de aprendizaje Recursos didácticos Recursos tecnológicos Pizarrón Internet Plumones 180

6 Hojas Rotafolio Proyector Computadora Evaluación de las Competencias Cantidad Evidencia a evaluar Demostración de conocimientos mediante examen escrito. Demostración de conocimientos mediante series de ejercicios. Demostración de conocimientos mediante prácticas de laboratorio. Criterios de entrega o desempeño y responsable de la evaluación (especificaciones de forma; tipo de evaluación: coevaluación, heteroevaluación, autoevaluación, evaluación externa) Examen escrito en hoja tamaño carta, con reactivos de opción múltiple, preguntas abiertas y resolución de problemas. Elaboración problemas propuestos por el Profesor para reforzar lo expuesto en clase. Elaboración de reportes en equipo para cada una de las prácticas de laboratorio. Instrumento de Evaluación Valor % Examen escrito 70% Series de ejercicios Reporte de práctica en laboratorio 10% 20% TOTAL 100% PERFIL ACADÉMICO DESEABLE DEL RESPONSABLE DE IMPARTIR LA ASIGNATURA Se recomienda que el profesor tenga las siguientes características: Licenciatura en Ingeniería, Física o carreras afines cuya carga académica en el área sea similar a éstas. Deseable con estudios de posgrado o el equivalente de experiencia profesional en el área de su especialidad y recomendable con experiencia docente o con preparación en los programas de formación docente de la Facultad en la disciplina y en didáctica. 181