Universitat Jaume I
Escola Superior de Tecnologia i Ciències Experimentals
Departament de Ciències Experimentals
Àrea d’Òptica
Electricitat i Òptica
Assignatura troncal (6 crèdits)
CURS 1997-1998
Professor/a |
Despatx |
Horari de tutories |
|
B240 |
Lunes de 16 a 18 hs. y Martes de 11 a 13 hs. |
|
B240 |
Martes, Miércoles y Jueves de 11 a 13 hs. |
|
B108 |
Lunes, Martes y Miércoles de 16 a 18 hs. |
Tema 1. Electrostática: cargas y campos.
1.1.- Fenomenología de la interacción electrostática. Concepto y propiedades de la carga eléctrica.
1.2.- Ley de Coulomb de acción entre cargas estáticas puntuales. Principio de superposición.
1.3.- Campo electrostático E. Distribuciones continuas de carga. Líneas de campo.
1.4.- Movimiento de una partícula cargada en un campo electrostático.
1.5.- Flujo del campo electrostático: teorema de Gauss. Cálculo de campos eléctricos.
1.6.- Trabajo y energía potencial electrostática. Diferencia de potencial y función potencial. Relación campo-potencial.
1.7.- Energía potencial electrostática de un sistema de cargas puntuales. Constante de Madelung.
1.8.- Conductores y dieléctricos. El campo electrostático en los conductores. Propiedades. Capacidad de un conductor aislado. Condensadores. Energía almacenada en un condensador.
1.9.- Aplicaciones: Xerografía. Precipitadores electrostáticos y contaminación industrial.
Tema 2. Dipolos eléctricos y medios dieléctricos.
2.1.- Desarrollo multipolar del potencial electrostático.
2.2.- Momento dipolar. Potencial y campo dipolar.
2.3.- Momentos dipolares permanentes e inducidos.
2.4.- Acción de un campo eléctrico sobre un dipolo.
2.5.- Campo eléctrico de la materia polarizada. Vector polarización P. Densidades de carga de polarización.
2.6.- Vector desplazamiento eléctrico D. Susceptibilidad eléctrica y constante dieléctrica.
2.7.- Condesadores y dieléctricos.
Tema 3. Teoría microscópica de los dieléctricos.
3.1.- El tratamiento microscópico.
3.2.- Polarizabilidad atómica.
3.3.- Polarizabilidad molecular: moléculas no polares y polares.
3.4.- La constante dieléctrica de los dieléctricos no polares. Ecuación de Clausius-Mossotti. Medios densos y diluidos.
3.5.- La constante dieléctrica de los gases polares. Ecuación de Debye.
3.6.- Interacciones entre dipolos. Fuerzas de Van der Waals.
Tema 4. Corriente eléctrica estacionaria.
4.1.- Definición de intensidad de corriente I y del vector densidad de corriente J.
4.2.- Ley local de Ohm. Conductividad y resistividad eléctricas. Conducción en metales.
4.3.- Ley macroscópica de Ohm. Resistencia eléctrica.
4.4.- Disipación de energía en la conducción. Ley de Joule.
4.5.- Fuerza electromotriz. Pilas.
4.6.- Amperímetros, voltímetros y óhmetros. Métodos de ajuste a cero.
4.7.- Conducción en electrolitos.
4.8.- Semiconductores.
Tema 5. Campo magnetostático en el vacío.
5.1.- Ley de Ampère de acción entre corrientes.
5.2.- Campo magnetostático B. Ley de Biot-Savart. Ejemplos.
5.3.- Teorema de Ampère. Aplicaciones al cálculo de campos magnéticos.
5.4.- Fuerza de Lorentz. Aplicación al movimiento de una partícula cargada en un campo magnetostático. Fundamentos de la espectrometría de masas.
5.5.- Dipolo magnético. Momento dipolar magnético.
5.6.- Fuerza sobre un dipolo magnético en un campo externo.
5.7.- La relación momento magnético-momento angular: momento magnético orbital y de spin.
Tema 6. Propiedades magnéticas de la materia.
6.1.- Cómo responden distintas sustancias al campo magnético.
6.2.- Campo magnetostático creado por la materia imanada. Vector magnetización M.
6.3.- Densidades de corriente de manetización.
6.4.- Vector excitación magnética H. Susceptibilidad magnética y permeabilidad magnética.
6.5.- Diamagnetismo en la materia.
6.6.- Paramagnetismo en la materia.
6.7.- Fenomenología del ferromagnetismo.
Tema 7. Campos variables en el tiempo: ecuaciones de Maxwell.
7.1.- Fenomenología de la inducción electromagnética.
7.2.- Ley de inducción de Faraday.
7.3.- Coeficientes de inducción.
7.4.- Energía magnética.
7.5.- Ley de Ampère-Maxwell: corriente de desplazamiento.
7.6.- Revisión de los fenómenos electromagnéticos: ecuaciones de Maxwell. Formulación integral y diferencial.
Tema 8. Ondas electromagnéticas.
8.1.- Propagación del campo electromagnético en el vacío: ecuación de ondas.
8.2.- Propagación en dieléctricos perfectos. Índice de refracción.
8.3.- Ondas electromagnéticas planas, monocromáticas y linealmente polarizadas.
8.4.- Teoría electromagnética de la luz. Espectro electromagnético.
8.5.- Aspectos energéticos en la propagación: vector de Poynting. Irradiancia.
8.6.- Superposición de dos ondas armónicas de diferente frecuencia. Pulsaciones. Velocidad de grupo. Paquetes o grupos de ondas.
Tema 9. Polarización de la luz. Reflexión y refracción.
9.1.- Superposición de dos ondas armónicas con vectores eléctricos ortogonales.
9.2.- Estados de polarización: polarización lineal, circular y elíptica. Elipse de polarización.
9.3.- Condiciones de contorno en la interfase entre dos medios materiales. Leyes de la reflexión y la refracción.
9.4.- Fórmulas de Fresnel. Efectos sobre la Polarización. Ángulo límite y reflexión total.
9.5.- Polarizador lineal. Ley de Malus.
9.6.- Actividad Óptica. Polarimetría.
Tema 10. Interferencias y difracción.
10.1.- Superposición de dos ondas monocromáticas de idéntica frecuencia: interferencias. Condiciones de interferencia.
10.2.- Franjas de Young con luz monocromática.
10.3.- Interferómetro de Michelson con fuente puntual a distancia infinita.
10.4.- Interferencias de haces múltiples. Interferómetro de Fabry-Perot.
10.5.- El principio de Huygens-Fresnel y la teoría escalar de la difracción.
10.6.- Difracción de Fresnel y de Fraunhofer.
10.7.- Difracción de Fraunhofer por una rendija, dos rendijas y una red de difracción.
10.8.- Espectroscopía de red.
10.9.- Difracción por cristales.
Prácticas de laboratorio
Práctica 1.- Medidas en circuitos de corriente continua. Teorema de máxima transferencia de energía.
Práctica 2.- Uso del osciloscopio.
Práctica 3.- Circuitos en corriente alterna. Determinación de ángulos de desfase.
Práctica 4.- Determinación de campos y momentos dipolares magnéticos.
Práctica 5.- Determinación de la relación carga-masa del electrón.
Práctica 6.- Medida de la velocidad de la luz.
Práctica 7.- Fenómenos de interferencia y difracción.
Bibliografía
Teoría
a) Bibliografía de carácter general:
[1] ALONSO, M. y FINN, E.J. Física (Addison Wesley, 1992).
[2] FEYMANN, R. P., LEIGHTON, R. B. y SANDS, M. Física. Vol II. Electrmagnetismo y Materia. Fondo Educativo Interamericano S.A. Bogotá (1972).
[3] YOUNG, H. D. University Physics. Ed. Addison-Wesley. New York (1992).
[4] TIPLER, P. A. Física (**). Ed. Reverté. Barcelona (1992).
[5] HALLIDAY, D. y RESNICK, R. Fundamentals of Physics (John Wiley & Sons, 1994).
b) Bibliografía recomendada para el estudio de las propiedades del campo electromagnético:
[6] PURCELL, E. M. Berkeley Physics Course. Vol. 2. Electricidad y Magnetismo. Ed. Reverté. Barcelona (1973).
[7] ROLLER, D. E. y BLUM, R. Física. Vol. II. Electricidad, Magnetismo y Optica (* y **). Ed. Reverté. Barcelona (1976).
[8] WANGSNESS, R. K. Campos Electromagnéticos. Ed. Limusa. México (1992).
[9] SANJURJO, R. Electromagnetismo. Ed McGraw-Hill. Madrid (1977).
[10] REITZ, J. R., MILFORD, F. J. y CHRISTY, R. W. Fundamentos de la Teoría Electromagnética. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana. México (1976).
[11] PEREZ, J.P., CARLES, R. et FLECKINGER, R. Electromagnétisme, vide et mieux materials (Masson, 1994).
c) Bibliografía recomendada para el estudio de los fenómenos ópticos:
[12] HECHT, E. Optics. Ed. Addison-Wesley. New York (1977).
[13] LONGHURST, R. S. Geometrical and Physical Optics. Ed. Longman Scientific & Thecnical. London (1973).
[14] GUENTHER, R. Modern Optics. Ed. John Wiley & Sons. New York (1990).
[15] CASAS, J. Óptica (Librería Pons, 1994).
Problemas
[1] SPIEGEL, M. R. Manual de Fórmulas y de Tablas Matemáticas. Compendios Schaum. Ed. McGraw-Hill. México (1970).
[2] GULLON, E. y LOPEZ, M. Problemas de Física. Vol IV. Electricidad y Magnetismo. Librería Internacional de Romo S.L. Madrid (1976).
[3] GULLON, E. y LOPEZ, M. Problemas de Física. Vol V. Optica Librería Internacional de Romo S.L. Madrid (1976).
[4] ORIA, J. F. y COMPAÑ, V. Problemas sobre el Campo Electromagnético. ECIR. Valencia (1990).
[5] HECHT, E. Optica. Compendios Schaum. Ed McGraw-Hill. Bogotá (1974).
[6] HERRERO, R. y MEJÍAS, P.M., 100 problemas de Óptica (Alianza Editorial, 1996).
Objetivos
El programa propuesto para la asignatura de Electricidad y Óptica del segundo semestre se ha elaborado bajo la suposición de que el estudiante domina el conjunto de conocimientos que se han impartido en asignaturas como las Matemáticas del primer semestre de la licenciatura y la Física de COU. Sin estos conocimientos, el estudiante difícilmente podrá afrontar esta asignatura.
La asignatura se puede dividir en cuatro bloques bien diferenciados. El primer bloque hace referencia al estudio del campo electrostático en el vacío. Los conocimientos adquiridos se aplican, posteriormente, al estudio de las propiedades eléctricas de la materia, de especial importancia para el futuro químico. El segundo bloque se dedica al análisis de las propiedades del campo magnetostático en el vacío. Posteriormente, se aborda al estudio del comportamiento magnético de la materia. En tercer lugar, se pone de manifiesto que los fenómenos eléctricos y magnéticos son una manifestación de una misma entidad física: el campo electromagnético. La última parte de la asignatura se centra en el estudio de los fenómenos más significativas de la Óptica, polarización, interferencias y difracción, como fenómenos que aparecen en la propagación de ondas electromagnéticas.
A lo largo de casi siglo y medio desde el nacimiento de la Química como ciencia moderna, hacia finales del siglo XVIII, hasta el nacimiento de la Química cuántica, los químicos han ido definiendo conceptos como los de afinidad, cohesión, electronegatividad, etc., para describir la naturaleza de las fuerzas responsables de las interacciones químicas. En algunos de estos conceptos está más o menos latente la relación de dichas fuerzas con las interacciones electromagnéticas, pero solo con el desarrollo de la Química cuántica ha quedado claramente establecido que las interacciones químicas son puramente electromagnéticas. Así pues, si los fenómenos químicos son pura y exclusivamente electromagnéticos, si las diferentes formas de enlace químicos no son más que otras tantas manifestaciones de la interacción electromagnética, se puede entonces pensar que la importancia del Electromagnetismo en la formación de un químico es incluso más grande que en la formación de un físico.
A estas consideraciones podemos añadir el hecho, cada vez más marcado, de que gran parte de métodos analíticos que emplea un químico se basan en efectos electromagnéticos u ópticos (espectroscopía, resonancia magnética nuclear o de spin, colorimetría, difracción de rayos X, etc).
Metodología y evaluación
En una asigantura como ésta , la formación del estudiante ha de tener una doble vertiente: la teórica y la empírica. La primera de ellas se trata en las clases teóricas y en las clases de problemas, la segunda en las clases prácticas de laboratorio.
En las clases de teoría se expone aquel conjunto de definiciones, conceptos y principios que constituyen el cuerpo teórico fundamental de la asignatura, al mismo tiempo que se hace atención a otros aspectos y aplicaciones que son de gran interés o importancia.
Las clases de problemas se orientan de cara a dar una idea más concreta de la utilidad de los conceptos teóricos y además ayudan a asimilar los conocimientos que se van adquiriendo. En estas clases se plantean situaciones más o menos complejas, que hay que resolver aplicando fundamentalmente el método deductivo, acostumbrando al alumno a esta metodología, que complementa la metodología inductiva, que en general es la utilizada en las clases teóricas. En las clases de problemas conviene insistir en la interpretación de los resultados de manera que el propio estudiante sea capaz de juzgar si en principio el resultado al que se llega es lógico físicamente, y de ser así, a qué conclusiones conduce.
Las clases denominadas de prácticas se dedican a la experimentación, insistiendo fundamentalmente en la asimilación del método científico, en el correcto tratamiento de los datos, así como en la correcta interpretación de los resultados.
Para evaluar los conocimientos adquiridos en las clases de teoría y de problemas se hará un examen final escrito. La parte teórica se confeccionará de manera que en ella se evaluará fundamentalmente la asimilación y correcta aplicación de los conceptos, principios y metodología explicada. Por eso, los exámenes constarán de cuestiones teóricas y prácticas (normalmente cuatro), así como de dos problemas. Ambas partes se valorarán al 50%.
Las prácticas se evaluarán en base a la memoria que entregarán los estudiantes al profesor, y de las que se calificará no sólo el método, tratamiento de datos, resultados y conclusiones obtenidas, sino además la corrección científica de la exposición, la claridad y el orden. La nota de prácticas se obtendrá de la media de las calificaciones de las memorias. Será condición imprescindible para aprobar la asignatura tener aprobadas (nota media superior a 5 sobre 10) las prácticas.
La calificación final de la asignatura vendrá determinada por el 85% de la nota final de teoría y problemas (que imprescindiblemente habrá de ser superior a 4 puntos sobre 10) y el 15% de la nota de prácticas.
Por otra parte, las horas de tutoría han de ser un espacio de debate donde el estudiante pueda comprobar la correcta asimilación de la asignatura mediante el planteamiento y la discusión de cuestiones teóricas y prácticas que el alumno pueda plantearse a la hora de estudiar la asignatura. Las horas de tutoría se indican al principio del presente programa. No obstante en cualquier otro momento, los profesores atenderán con normalidad las consultas de los estudiantes siempre que en esos momentos no se encuentren realizando cualquier otra tarea de mayor prioridad.
Volver a la tabla de asignaturas