CURSO ACADÉMICO 2008/2009

Transcripción

1 DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA CURSO ACADÉMICO 2008/2009 Facultad de Física Dep. Electrónica y Electromagnetismo Electromagnetismo Titulación: LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998) Nombre: Electromagnetismo Código: Año del plan de estudio: 1998 Tipo: Troncal Créditos totales (LRU): 9,00 Créditos LRU teóricos: 6,00 Créditos LRU prácticos: 3,00 Créditos totales (ECTS): 9,00 Créditos ECTS teóricos: 6,00 Créditos ECTS prácticos: 3,00 Horas de trabajo del alumno por crédito ECTS: 30,00 Curso: 3 Cuatrimestre: Anual Ciclo: 1 Coordinador: FRANCISCO MEDINA MENA DATOS BÁSICOS DE LOS PROFESORES Nombre Departamento Despacho FRANCISCO MEDINA MENA Electrónica y Electromagnetismo medina@us.es RAFAEL RODRIGUEZ BOIX Electrónica y Electromagnetismo boix@us.es DATOS ESPECÍFICOS DE LA ASIGNATURA 1. Descriptores: Campos electrostático y magnetostático en el vacío y en medios materiales. Fenómenos electromagnéticos no estacionarios y teoría de circuitos. Ondas electromagnéticas. 2. Situación: 2.1. Conocimientos y destrezas previos: Haber cursado las asignaturas "Física General", "Análisis Matemático" y "Métodos Matemáticos de la Física II" Contexto dentro de la titulación: Junto a la Mecánica y Ondas, la Física Cuántica, la Termodinámica y la Óptica, el Electromagnetismo constituye uno de los pilares fundamentales en la formación de un físico. Además, los conocimientos en Electromagnetismo abren la puerta al Licenciado en Física a una amplia gama de aplicaciones tecnológicas en el campo de la industria eléctrica y de las telecomunicaciones Recomendaciones: Son fundamentales los conocimientos de Mecánica, especialmente las tres leyes de Newton y los conceptos fundamentales que gobiernan la dinámica de masas puntuales y sólidos rígidos. También es conveniente conocer los dos primeros principios de la Termodinámica y sus aplicaciones. Finalmente, no tiene sentido cursar esta asignatura si no se tiene un conocimiento amplio del Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 1 de 7

2 cálculo vectorial en una y varias variables, y al menos una mínima base en la teoría de ecuaciones diferenciales Adaptaciones para estudiantes con necesidades especiales: Dado que las clases se impartirán en castellano, que la evaluación se realizará en castellano y que el material docente que se entregará a los alumnos está redactado en este idioma, es conveniente que los estudiantes extranjeros que cursen la asignatura tengan un conocimiento adecuado del castellano. 3. Competencias: 3.1. Competencias transversales/genéricas: 1: Se entrena débilmente. 2: Se entrena de forma moderada. 3: Se entrena de forma intensa. 4: Entrenamiento definitivo de la competencia (no se volverá a entrenar después). Competencias Valoración Referencia Capacidad de análisis y síntesis Capacidad de organizar y planificar Conocimientos generales básicos Solidez en los conocimientos básicos de la profesión Comunicación escrita en la lengua nativa Conocimiento de una segunda lengua Habilidades para recuperar y analizar información desde diferentes fuentes Resolución de problemas Toma de decisiones Capacidad para aplicar la teoría a la práctica Habilidades de investigación Capacidad de aprender Capacidad de generar nuevas ideas Habilidad para trabajar de forma autónoma 3.2. Competencias específicas: CE1.- Conocimiento y comprensión de la fenomenología básica de la interacción electromagnética. CE2.- Capacidad de modelado de fenómenos electromagnéticos, trasladando un problema real al lenguaje matemático. CE3.- Conocimiento y comprensión de las leyes fundamentales del Electromagnetismo (ecuaciones de Maxwell) y sus principales consecuencias. CE4.- Adquisición de conocimientos matemáticos y capacidad de profundizar en su aplicación en el contexto del Electromagnetismo. CE5.- Capacidad de estimar órdenes de magnitud para interpretar fenómenos vinculados a la teoría electromagnética. 4. Objetivos: El objetivo global es conseguir que el estudiante llegue a conocer las ecuaciones básicas de la teoría electromagnética (ecuaciones de Maxwell) partiendo de las leyes experimentales que dan sostén a la teoría. Asimismo, se discutirán algunas de las aplicaciones y consecuencias más importantes de la teoría electromagnética. En el temario que se presenta en el apartado 11, no se desarrollan en detalle los descriptores de "Teoría de Circuitos" y de "Ondas Electromagnéticas". En el caso de la teoría de circuitos, hay que tener en cuenta que los conceptos relacionados con esa teoría han sido estudiados por el alumno en profundidad en la asignatura de segundo curso "Electrónica Básica", complementándose dichos conceptos con el trabajo experimental que el alumno va a llevar a cabo en la parte de la asignatura de tercer curso "Técnicas Experimentales II" adscrita al Área de Electromagnetismo. En cuanto a las ondas electromagnéticas, su estudio teórico y experimental se realiza en profundidad en las asignaturas de cuarto curso "Electrodinámica Clásica" y "Técnicas Experimentales en Electrodinámica". En relación con el estudio del campo electromagnético en presencia de medios materiales, se sugiere al alumno interesado en profundizar en dicho tema que curse la asignatura optativa de tercer curso "Electromagnetismo en la Materia". Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 2 de 7

3 5. Metodología: La asignatura se impartirá en clases de 55 minutos de duración 3 veces a la semana. En estas clases se expondrán los contenidos teóricos de la materia que constituirán el núcleo central de los conocimientos que ha de adquirir el alumno. También se resolverán ejercicios y problemas que ayuden a clarificar los conceptos, leyes físicas y técnicas expuestos en las clases de contenido más teórico. El profesor proporcionará al alumno por anticipado boletines conteniendo problemas, junto con las soluciones de una parte de estos problemas. En algunas ocasiones, las exposiciones en la pizarra de contenidos teóricos se complementarán con la presentación de transparencias y diapositivas. Los profesores impartirán dos seminarios de experiencias de cátedra fuera del horario de clase. La fecha en la que tendrán lugar se avisará con la suficiente antelación. En uno de los seminarios se mostrarán fenómenos relacionados con la interacción eléctrica entre cuerpos cargados (este seminario se impartirá en el mes de Diciembre), y en el otro seminario se mostrarán experiencias gobernadas por las leyes de la Magnetostática y de la Inducción Electromagnética (este seminario se impartirá en el mes de Mayo). 5.a Número de horas de trabajo del alumno PRIMER SEMESTRE. Actividades y horas: Teoría (Horas presenciales + Horas no presenciales = Total de horas): 30, ,00 = 45,00 Prácticas (Horas presenciales + Horas no presenciales = Total de horas): 14,00 + 7,00 = 21,00 Exámenes (Total de horas): 4,00 Experiencias de cátedra (electrostática) (Horas presenciales + Horas no presenciales = Total de horas): 1, ,50 = 0,50 SEGUNDO SEMESTRE. Actividades y horas: Teoría (Horas presenciales + Horas no presenciales = Total de horas): 30, ,00 = 45,00 Prácticas (Horas presenciales + Horas no presenciales = Total de horas): 14,00 + 7,00 = 21,00 Exámenes (Total de horas): 4,00 Experiencias de cátedra (magnetostática e inducción electromagnética) (Horas presenciales + Horas no presenciales = Total de horas): 1, ,50 = 0,50 6. Técnicas Docentes: Sesiones académicas teóricas: [X] Exposición y debate: [ ] Tutorías especializadas: [ ] Sesiones académicas prácticas:[x] Visitas y excursiones: [ ] Controles de lecturas obligatorias: [ ] Otras: Seminarios de experiencias de laboratorio elementales. DESARROLLO Y JUSTIFICACIÓN Dado que el temario de la asignatura es muy amplio y que todo él es de vital importancia en la formación de un físico, nos vemos obligados a impartir la asignatura a través de sesiones académicas para conseguir un máximo aprovechamiento del tiempo. De estas sesiones académicas, dos terceras partes se dedicarán a la exposición de la teoría y una tercera parte, a la resolución de problemas. Las sesiones dedicadas a la resolución de problemas son especialmente importantes ya que incentivan la vertiente práctica del aprendizaje a expensas del enfoque puramente memorístico, enfoque que tiene poca utilidad en la formación de un científico. Para complementar las clases de teoría y problemas, se impartirán dos seminarios de experiencias de cátedra, uno en el primer semestre y otro en el segundo semestre. En estos seminarios los profesores realizarán experimentos sencillos que permitan mostrar hasta qué punto los modelos de la teoría electromagnética son capaces de describir la realidad que nos rodea. Además, se abrirá un debate con participación activa de los alumnos en el que se pueda discutir en grupo la fenomenología que existe detrás de los experimentos. 7. Bloques Temáticos: - Electrostática en el vacío y en presencia de medios materiales. - Corriente estacionaria y circuitos de corriente continua. - Magnetostática en el vacío y en presencia de medios materiales. Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 3 de 7

4 - Inducción electromagnética y circuitos de corriente alterna. - Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas. 8. Bibliografía 8.1. General: A continuación se lista la bibliografía general de la asignatura - E. López Pérez y F. Núñez Cubero100 problemas de electromagnetismo (Alianza Editorial, 1997) - Rodríguez Danta, Marcelo.Campos electromagnéticos /Marcelo Rodríguez Danta, Antonio González Fernández, Consuelo Bellver Cebreros.2a ed. (1999.) ISBN Wangsness, Roald K.Electromagnetic fields /Roald K. Wangsness. (1986.) ISBN Pollack, Gerald L.,Electromagnetism /Gerald L. Pollack, Daniel R. Stump. (Addison Wesley, 2002) ISBN D. K. ChengField and Wave Electrodynamics. (Addison Wesley, 1989) - Reitz, John R.Fundamentos de la teoría electromagnética.4a ed. (1996.) ISBN X - Griffiths, David J.Introduction to electrodynamics /David J. Griffiths.3rd ed. (1999.) ISBN Z. Popovic, B.D. PopovicIntroductory Electromagnetics. (Prentice Hall, 1999.) - A. González FernándezProblemas de Campos Electromagnéticos (Schaum (McGraw-Hill), 2005) - V. López RodríguezProblemas resueltos de ElectromagnetismoSegunda Edición, (Editorial Centro de Estudios R) - M. ZhanTeoría electromagnética (McGraw-Hill, 1991.) - R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. SandsThe Feynman lectures on physics.vol. II: Electromagnetismo y materia (Addison Wesley Longman, 1998.) 8.2. Específica : - Haus, J.R. Melcher, "Electromagnetic fields and energy", Prentice Hall, J.D. Jackson, "Electrodinámica clásica" Editorial Alhambra, W.K. Panofsky, M. Phillips, "Classical Electricity and Magnetism", Addison--Wesley, J.A. Stratton, "Electromagnetic theory", McGraw--Hill, Técnicas de evaluación: La evaluación se realizará a través de exámenes escritos en los que el alumno deberá responder a una serie de cuestiones teóricas de índole no memorístico y resolver unos problemas en los que mostrará su manejo de los conceptos y técnicas explicados en clase. En cada cuatrimestre se realizará un control de dos horas de duración (de los temas 0 y 1 del temario en el primer cuatrimestre, y de los temas 4 y 5 en el segundo cuatrimestre) y un examen parcial de cuatro horas de duración (de los temas 0 a 3 del temario en el primer cuatrimestre, y de los temas 4 a 8 en el segundo cuatrimestre). Al finalizar el curso, se realizará un examen final de cuatro horas de duración de todo el temario. CRITERIOS DE EVALUACIÓN Y CALIFICACIÓN: La calificación obtenida en el control de un cuatrimestre sólo repercutirá en la calificación global de ese cuatrimestre. Así, si el alumno aprueba un control, no estará obligado a examinarse de la materia correspondiente a ese control en el examen parcial del cuatrimestre, y la calificación global del cuatrimestre será la media entre la calificación obtenida en dicho examen y la calificación obtenida en el control. Si el alumno suspende un control, se tendrá que examinar de toda la materia en el examen parcial de ese cuatrimestre, y la calificación del control no será tenida en cuenta en la calificación global del cuatrimestre. En cada cuatrimestre los alumnos podrán obtener hasta un máximo de 10 puntos. Para aprobar la asignatura por parciales, el alumno deberá tener una media igual o superior a 5, y una calificación superior a 3,5 en cada cuatrimestre. En caso de que un alumno apruebe un cuatrimestre pero tenga una media inferior a 5, no tendrá que presentarse de la materia aprobada en la convocatoria ordinaria de Junio, pero tendrá que presentarse obligatoriamente de todo el temario en las convocatorias de Septiembre, Diciembre y Febrero. Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 4 de 7

5 10. Organización docente semanal (Número de horas que a ese tipo de sesión va a dedicar el estudiante cada semana) H: Horas presenciales HORAS SEMANALES Teoría Prácticas Experiencias de cátedra (electrostática) Exámenes Temario Primer Semestre H Total H Total H Total Total - 1ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0 2ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0 3ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0,00 0 y 1 4ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1 5ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1 6ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1 7ªSemana 0,00 0,00 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 1 8ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0,00 1 y 2 9ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0, ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0,00 2 y 3 13ªSemana 2,00 3,00 0,00 0,00 1,00 0,50 0, ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ªSemana 0,00 0,00 3,00 4,50 0,00 0,00 0, ªSemana 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4,00 - Nº total de horas 30,00 45,00 14,00 21,00 1,00 0,50 4,00 - Experiencias de cátedra HORAS SEMANALES Teoría Prácticas (magnetostática e inducción Exámenes Temario electromagnética) Segundo Semestre H Total H Total H Total Total - 1ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4 2ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4 3ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0,00 4 y 5 4ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5 5ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5 6ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5 7ªSemana 0,00 0,00 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 5 8ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0,00 5 y 6 9ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0, ªSemana 1,00 1,50 2,00 3,00 0,00 0,00 0,00 6 y 7 13ªSemana 3,00 4,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ªSemana 2,00 3,00 0,00 0,00 1,00 0,50 0, ªSemana 0,00 0,00 3,00 4,50 0,00 0,00 0, ªSemana 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4,00 - Nº total de horas 30,00 45,00 14,00 21,00 1,00 0,50 4,00 - Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 5 de 7

6 11. Temario desarrollado Tema 0: HERRAMIENTAS MATEMÁTICAS - Campos escalares y vectoriales. El gradiente. La divergencia y el teorema de la divergencia. El rotacional y el teorema de Stokes. Campos irrotacionales y solenoidales: potenciales escalar y vector. - Coordenadas cilíndricas y esféricas. - La función delta de Dirac. - Enunciado del teorema de Helmholtz. Tema 1: ELECTROSTÁTICA EN EL VACÍO - Carga eléctrica y sus propiedades. Ley de Coulomb. - Cargas puntuales y distribuciones continuas de carga. - El campo eléctrico. Líneas de campo eléctrico. - El rotacional del campo electrostático. Potencial eléctrico. Superficies equipotenciales. Energía potencial electrostática. - La divergencia del campo electrostático. Ley de Gauss. - Ecuaciones diferenciales para el campo eléctrico y el potencial. Condiciones de contorno en Electrostática. - Energía de un conjunto de cargas puntuales. Energía de una distribución continua de carga. Energía almacenada en el campo. - El dipolo eléctrico. Campo y potencial de un dipolo. Interacción de un dipolo con un campo externo: energía, fuerzas y par de fuerzas sobre un dipolo. Desarrollo multipolar del potencial. Tema 2: CAMPO ELECTROSTÁTICO EN PRESENCIA DE CONDUCTORES. - Carga, campo y potencial en un conductor en equilibrio electrostático. Condiciones de contorno en la superficie de un conductor en equilibrio. - Las ecuaciones de Laplace y Poisson. Teorema de unicidad. Teorema del valor medio. Teorema de reciprocidad. - Métodos de cálculo de potencial en presencia de conductores: método de las imágenes y método de separación de variables. - Coeficientes de capacidad y potencial. Condensadores. Asociación de condensadores. - Energía electrostática de un sistema de conductores cargados. Cálculo de fuerzas y pares de fuerzas mediante el principio de los desplazamientos virtuales. Presión electrostática sobre un conductor cargado. Tema 3: CAMPO ELECTROSTÁTICO EN PRESENCIA DE DIELÉCTRICOS. - Dieléctricos. Polarización. Cargas de polarización. - Vector desplazamiento eléctrico. Ley de Gauss en presencia de dieléctricos. - Relaciones entre D y P. Dieléctricos lineales: susceptibilidad eléctrica, permitividad y constante dieléctrica. - Ecuaciones diferenciales y condiciones de contorno en problemas en los que intervienen dieléctricos. - Energía y fuerzas en presencia de dieléctricos. Tema 4: CORRIENTE ELÉCTRICA. - Naturaleza de la corriente. Densidad de corriente e intensidad de corriente. - Ecuación de continuidad. - Ley de Ohm para conductores lineales e isótropos. Conductividad. - Ley de Joule para la potencia disipada. - Ecuaciones diferenciales y condiciones de contorno para corrientes estacionarias en conductores óhmicos. - Generadores de corrientes estacionarias. Fuerza electromotriz. - Resistores de dos terminales y resistencia eléctrica. - Circuitos de corriente continua. Leyes de Kirchhoff. Asociación de resistores. - Relajación de la carga. Tiempo de relajación. Tema 5: CAMPO MAGNETOSTÁTICO DEBIDO A CORRIENTES ESTACIONARIAS EN VACÍO. Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 6 de 7

7 - Ley de Ampère para la fuerza magnética entre corrientes estacionarias. Campo magnético. Ley de Biot y Savart. Par de fuerzas magnético sobre corrientes estacionarias. - Fuerza de Lorentz. Movimiento de partículas cargadas en el seno de campos magnéticos. - Divergencia de B y líneas de campo magnético. Rotacional de B y ley de Ampère. Potencial vector magnético. Condiciones de contorno. - Desarrollo multipolar del potencial vector magnético. El dipolo magnético. Potencial vector y campo magnético de un dipolo. Interacción de un dipolo con un campo magnético externo: energía, fuerza y par de fuerzas. Tema 6: INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. ENERGÍA MAGNÉTICA. CORRIENTE ALTERNA. - Fuerza electromotriz inducida en espiras en movimiento. Fuerza electromotriz inducida en campos variables con el tiempo: ley de Faraday. Transformaciones galileanas de los campos. - Autoinducción de una espira conductora. Matriz inducción de un sistema de espiras: fórmula de Neumann para los coeficientes de inducción mutua. - Energía magnética de una espira conductora. Energía magnética de un sistema de espiras. Energía almacenada en el campo magnético. - Cálculo de fuerzas y pares de fuerzas mediante el principio de los desplazamientos virtuales. - Circuitos de corriente alterna. Leyes de Kirchoff y límites de validez. Fasores e impedancias. Potencia media disipada y valores eficaces. Tema 7: CAMPO MAGNETOSTÁTICO EN PRESENCIA DE MEDIOS MATERIALES. - Magnetización. Corrientes de magnetización - Vector intensidad magnética. Ley de Ampère en presencia de medios materiales. - Potencial escalar magnético y cargas magnéticas. Aplicación al cálculo de la intensidad magnética en ausencia de corrientes libres. - Relaciones entre B y H. Medios lineales: susceptibilidad magnética y permeabilidad. Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo. - Ecuaciones diferenciales y condiciones de contorno para campos magnéticos en presencia de medios materiales. - Energía magnética y fuerzas en presencia de medios materiales. Tema 8: ECUACIONES DE MAXWELL. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. - Generalización de la ley de Ampère: corriente de desplazamiento. Ecuaciones de Maxwell. - Ondas electromagnéticas planas. Ondas monocromáticas. Energía y momento. Reflexión y transmisión sobre superficies planas. 12. Mecanismo de control y seguimiento - Comisión de seguimiento de Planes de Estudio en la Facultad de Física. - Coordinación con otras asignaturas de Tercero y de otros cursos de la Licenciatura en Física. - Encuestas a los alumnos. - Discusión de los resultados académicos obtenidos en la asignatura en comisiones de docencia, calidad, etc# - Participación en el Consejo de Curso de la Facultad de Física para realizar evaluaciones globales. 13. Horarios de clases y fechas de exámenes Los horarios y fechas de exámenes serán los acordados por la Junta de Facultad o Escuela y publicados por la misma Electromagnetismo (LICENCIADO EN FÍSICA (Plan 98) (1998)) 7 de 7