CONTENIDOS. Contenidos. Presentación. xiii

CONTENIDOS Contenidos Presentación v xiii 1. Campo eléctrico y propiedades eléctricas de la materia 1 1.1. Introducción histórica............................... 2 1.2. Estructura interna de la materia......................... 5 1.2.1. Modelos atómicos............................. 6 1.2.2. Moléculas y tipos de enlaces........................ 9 1.3. Electrización de los materiales........................... 10 1.4. Fuerzas y ley de Coulomb............................. 13 1.4.1. Ley de Coulomb.............................. 14 1.5. Campo eléctrico................................... 18 1.5.1. Campo eléctrico debido a distribuciones de carga............. 19 1.6. El flujo eléctrico.................................. 21 1.7. La ley de Gauss................................... 24 1.7.1. Esfera uniformemente cargada...................... 25 1.7.2. Distribución longitudinal uniforme de carga............... 26 1.7.3. Superficie plana uniformemente cargada................. 27 1.8. Conductores en equilibrio electrostático..................... 28 Ejercicios......................................... 31 2. Conducción y resistencia eléctrica 33 2.1. Corriente eléctrica................................. 34 2.1.1. Comportamiento eléctrico de los materiales............... 34 2.1.2. Definición de corriente eléctrica...................... 35 2.2. Modelo microscópico de la conducción eléctrica................. 37 2.2.1. Modelo clásico............................... 37 2.2.2. Teoría de bandas y la conducción metálica................ 39 2.2.3. La conducción en semiconductores.................... 41

vi FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA 2.3. Resistencia eléctrica................................ 44 2.3.1. La ley de Ohm............................... 44 2.3.2. La densidad de corriente eléctrica..................... 46 2.4. Superconductividad................................ 48 2.5. El generador eléctrico: la batería......................... 49 2.6. Potencia y energía eléctrica............................ 52 2.6.1. La ley de Joule............................... 53 Ejercicios......................................... 55 3. Potencial eléctrico. Condensadores 57 3.1. Trabajo y potencial eléctrico........................... 58 3.2. Potencial debido a cargas puntuales....................... 61 3.2.1. Potencial de una carga puntual...................... 61 3.2.2. Potencial de un sistema de varias cargas................. 62 3.2.3. Potencial de un dipolo eléctrico...................... 63 3.2.4. Energía potencial electrostática...................... 64 3.3. Potencial debido a distribuciones continuas de carga.............. 65 3.3.1. Potencial de un conductor infinito uniformemente cargado....... 66 3.3.2. Potencial de un disco uniformemente cargado.............. 66 3.3.3. Potencial de una superficie esférica uniformemente cargada...... 67 3.4. Campo eléctrico y potencial............................ 68 3.4.1. Superficies equipotenciales......................... 69 3.4.2. Distribución de carga y resistencia dieléctrica.............. 70 3.5. Capacidad y condensadores............................ 73 3.5.1. Condensador de placas paralelas..................... 74 3.5.2. Condensador cilíndrico........................... 75 3.6. Energía almacenada en un condensador cargado................. 76 3.7. Asociación de condensadores........................... 78 3.7.1. Condensadores en paralelo......................... 78 3.7.2. Condensadores en serie.......................... 79 3.8. Condensadores con dieléctrico........................... 81 Ejercicios......................................... 85 4. Campo magnético 87 4.1. Introducción..................................... 88

PRESENTACIÓN vii 4.1.1. El experimento de Oersted........................ 89 4.2. El campo magnético................................ 90 4.3. Manifestaciones del campo magnético...................... 92 4.3.1. Movimiento de una carga en el interior de un campo magnético.... 92 4.3.2. Líneas de campo magnético........................ 95 4.3.3. Fuerza sobre un conductor rectilíneo................... 96 4.3.4. Fuerza sobre un conductor cualquiera.................. 97 4.3.5. Fuerza sobre una espira.......................... 98 4.3.6. Fuerza sobre un imán........................... 101 4.4. Fuentes del campo magnético........................... 102 4.4.1. Campo magnético creado por una carga puntual en movimiento.... 102 4.4.2. Campo magnético creado por una corriente eléctrica. Ley de Biot y Savart.................................... 104 4.4.3. Campo magnético creado por un conductor rectilíneo......... 105 4.4.4. Campo magnético creado por una espira de corriente.......... 107 4.5. Fuerza magnética entre dos conductores rectilíneos................ 110 4.5.1. Definición del amperio........................... 111 4.6. Ley de Ampère.................................... 111 4.6.1. Campo magnético debido a un solenoide................. 112 4.6.2. Campo magnético debido a una bobina toroidal............. 114 4.6.3. El campo magnético terrestre....................... 115 4.7. El flujo magnético.................................. 115 4.7.1. La ley de Gauss del magnetismo...................... 116 4.8. La ley de Faraday.................................. 117 4.8.1. La ley de Lenz............................... 119 4.9. Corriente de desplazamiento de Maxwell y ley de Ampère generalizada.... 121 4.10. Las ecuaciones de Maxwell............................. 122 Ejercicios......................................... 124 5. Inducción electromagnética 127 5.1. El magnetismo en la materia........................... 128 5.1.1. Intensidad de campo magnético y susceptibilidad magnética...... 129 5.1.2. Materiales paramagnéticos......................... 132 5.1.3. Materiales ferromagnéticos........................ 132 5.1.4. Materiales diamagnéticos......................... 135

viii FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA 5.2. Inductancia..................................... 136 5.2.1. Autoinductancia.............................. 136 5.2.2. Inductancia mutua............................. 138 5.2.3. Energía almacenada por un campo magnético.............. 140 5.3. Bobina con núcleo de hierro............................ 140 5.3.1. El electroimán............................... 141 5.4. Bobinas acopladas magnéticamente........................ 145 5.4.1. El transformador.............................. 148 Ejercicios......................................... 152 6. Elementos de los circuitos eléctricos 155 6.1. Tipos de excitaciones aplicables a los circuitos.................. 156 6.1.1. Señales variables y señales constantes.................. 156 6.1.2. Señales continuas y señales discontinuas................. 157 6.1.3. Tipos de señales según su signo...................... 158 6.1.4. Señales aleatorias, señales deterministas y señales periódicas...... 159 6.1.5. Señales alternas............................... 161 6.1.6. Características de las señales....................... 162 6.1.7. Teorema de Fourier............................. 164 6.2. Magnitudes fundamentales............................. 165 6.2.1. Intensidad de corriente........................... 165 6.2.2. Tensión................................... 166 6.2.3. Impedancia................................. 168 6.2.4. Potencia................................... 169 6.2.5. Energía................................... 169 6.3. Características de los circuitos eléctricos..................... 170 6.3.1. Concepto de circuito eléctrico....................... 170 6.3.2. Tipos de circuitos eléctricos........................ 170 6.4. Elementos básicos de los circuitos y clasificación................ 172 6.4.1. Clasificaciones de los elementos básicos de los circuitos......... 172 6.4.2. Fuentes de energía............................. 175 6.4.3. Resistencias................................. 180 6.4.4. Condensadores............................... 186 6.4.5. Bobinas o inductores............................ 190 Ejercicios......................................... 194

PRESENTACIÓN ix 7. Leyes fundamentales de los circuitos eléctricos 195 7.1. Leyes fundamentales................................ 196 7.1.1. Leyes de Kirchhoff............................. 196 7.1.2. Primera Ley de Kirchhoff......................... 196 7.1.3. Segunda Ley de Kirchhoff......................... 198 7.2. Estudio de la estructura de los circuitos eléctricos................ 199 7.3. Análisis de circuitos................................ 201 7.3.1. Concepto de análisis de circuitos.................... 201 7.3.2. Leyes fundamentales............................. 202 7.3.3. Aplicación directa de las leyes básicas al análisis de circuitos..... 202 7.3.4. Análisis de circuitos eléctricos por el método de las mallas....... 204 7.4. Teorema de Tellegen: balance de potencia.................... 206 7.5. Principio de superposición............................. 207 7.6. Teorema de Millman................................. 209 7.7. Teoremas de Norton y Thevenin......................... 210 7.7.1. Teorema de Norton............................. 211 7.7.2. Teorema de Thevenin........................... 212 7.8. Teorema de la máxima transferencia de potencia................. 214 Ejercicios......................................... 216 8. Circuitos eléctricos en régimen transitorio 219 8.1. Evolución temporal del estado de un circuito.................. 220 8.2. Circuitos de primer y segundo orden....................... 222 8.3. Ecuaciones de los elementos almacenadores de energía............. 226 8.4. Análisis de circuitos de primer orden en régimen transitorio.......... 228 8.4.1. Circuitos sin fuentes de excitación y condiciones iniciales no nulas.. 228 8.4.2. Circuitos con fuentes de excitación y condiciones iniciales nulas.... 232 8.4.3. Circuitos con fuentes de excitación y condiciones iniciales no nulas.. 236 8.5. Conclusiones.................................... 237 Ejercicios......................................... 239 9. Análisis de circuitos eléctricos en corriente alterna 241 9.1. Fuentes de tipo alterno............................... 242 9.2. Representación matemática de las señales alternas............... 244 9.2.1. Descripción vectorial de las señales alternas: fasores.......... 246

x FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA 9.2.2. Operaciones con fasores.......................... 249 9.3. Comportamiento de los componentes básicos frente a señales alternas..... 250 9.3.1. Impedancia y admitancia......................... 250 9.3.2. Resistencia................................. 252 9.3.3. Inductancia: bobinas............................ 253 9.3.4. Capacidad: condensadores......................... 254 9.3.5. Resumen.................................. 255 9.4. Potencia y energía................................. 256 9.4.1. Potencia compleja............................. 258 9.4.2. El factor de potencia y su corrección................... 259 9.5. Leyes fundamentales en régimen estacionario sinusoidal............ 262 9.6. Teoremas fundamentales en régimen estacionario sinusoidal.......... 262 9.7. Tensión e intensidad en asociaciones sencillas.................. 263 9.7.1. Asociaciones serie de elementos pasivos................. 264 9.7.2. Asociaciones paralelo de elementos pasivos................ 269 9.8. Métodos de análisis de circuitos en alterna.................... 271 Ejercicios......................................... 274 10.Semiconductores y diodos 277 10.1. Conducción eléctrica en semiconductores..................... 278 10.1.1. Conducción intrínseca en semiconductores................ 279 10.1.2. Conducción extrínseca en semiconductores................ 283 10.1.3. Mecanismos de transporte de carga.................... 285 10.2. Diodo de unión PN................................. 286 10.3. Diodo zener..................................... 292 10.4. Otros diodos.................................... 294 10.4.1. Diodos emisores de luz (LED)....................... 295 10.4.2. Diodos Schottky.............................. 296 10.4.3. Células fotovoltaicas............................ 297 10.4.4. Fotodiodos................................. 297 10.5. Circuitos con diodos................................ 298 10.5.1. Circuitos rectificadores........................... 300 10.6. Circuitos lógicos con diodos............................ 310 10.7. Circuitos recortadores............................... 310 10.7.1. Circuitos limitadores con diodos zener.................. 312

PRESENTACIÓN xi 10.8. El regulador de tensión con zener......................... 313 Ejercicios......................................... 316 11.Transistores bipolares y FET 319 11.1. Tipos de transistores................................ 320 11.2. Funcionamiento de los transistores........................ 324 11.2.1. Funcionamiento de los transistores de efecto campo........... 324 11.2.2. Funcionamiento de los transistores bipolares............... 326 11.3. Curvas características de los transistores y modelos eléctricos......... 327 11.3.1. Curvas características de los transistores bipolares........... 327 11.3.2. Curvas características de los transistores FET.............. 330 11.3.3. Modelos eléctricos aproximados para los transistores.......... 333 11.4. El transistor en continua.............................. 336 11.5. El transistor en conmutación........................... 337 11.5.1. Capacidades en los transistores...................... 337 11.6. Algunos circuitos con transistores......................... 340 11.6.1. Circuitos lógicos con transistores bipolares................ 340 11.6.2. Regulador de tensión con transistores bipolares............. 346 Ejercicios......................................... 349 12.Transmisión de la información 351 12.1. Transmisión de información............................ 352 12.2. Medios de transmisión de la información..................... 353 12.2.1. Ondas electromagnéticas.......................... 355 12.2.2. Formas de transmisión de la información................. 358 12.3. Conceptos básicos de las líneas de transmisión.................. 364 12.3.1. Parámetros concentrados......................... 364 12.3.2. Parámetros distribuidos.......................... 364 12.3.3. Reflexiones en líneas de transmisión................... 367 12.4. Fibra óptica..................................... 369 12.4.1. Conceptos ópticos básicos......................... 370 12.4.2. Transmisión mediante fibra óptica.................... 372 12.4.3. Tipos de fibra óptica............................ 374 12.4.4. Elementos utilizados en la transmisión mediante fibra óptica..... 375 Ejercicios......................................... 376

xii FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA A. Elementos matemáticos 377 A.1. Vectores y números complejos........................... 377 A.2. Producto escalar.................................. 380 A.3. Producto vectorial................................. 381 B. Sistema Internacional de unidades 383 B.1. Sistema Internacional............................... 383 B.2. Prefijos normalizados................................ 384 B.3. Magnitudes eléctricas y magnéticas........................ 385 B.4. Constantes físicas.................................. 386 C. Soluciones 387 Índice alfabético 393