FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA

GRADO I. I. Tecnologías Informáticas

Prof. Norge Cruz Hernández

Tema 0. Presentación de la asignatura.

0.1 ¿Quién es el profesor? y ¿Qué nos impartirá?

0.2 Temario de la asignatura.

0.3 Exámenes y reglas del juego.

0.4 Preguntas para obtener puntos extras. Preguntas de reto.

0.1 ¿Quién es el profesor? y ¿Qué nos impartirá?

Asignatura: Fundamentos Físicos de la Informática

Año del plan de estudio: 2010

Asignatura cuatrimestral (segundo cuatrimestre).

Primer cuatrimestre (Febrero-Junio): Electromagnetismo, Circuitos de Corriente Continua y Alterna, Ondas electromagnéticas, Semiconductores y dispositivos básicos. (6 créditos ECTS).

Profesor: Dr. Norge Cruz Hernández (http://www.personal.us.es/norge/ )Despacho: G0.40E-mail: norge@us.es

0.2 Temario de la asignatura.

Tema 0. Magnitudes físicas y vectores. (1 hora)0.1 Introducción0.2 Magnitudes físicas. Unidades. Análisis dimensional0.3 Magnitudes escalares y vectoriales. Tipos de vectores.0.4 Suma de vectores. Componentes de un vector. Vectores unitarios.0.5 Producto escalar y vectorial.

Tema 1. Electrostática. (8 horas)Ley de Coulomb, Campo eléctrico de una carga puntual, Potencial y energía potencial, Campo eléctrico y potencial de distribuciones de Carga, Ley de Gauss, Campos electrostáticos uniformes, Conductores en equilibrio en el campo electrostático, Condensadores, Dieléctricos, Energía del campo eléctrico.

Tema 2. Circuitos de corriente continua. (6 horas)Corriente eléctrica. Intensidad, Ley de Ohm, Resistencia, Ley de Joule, Fuerza Electromotriz, Leyes de Kirchhoff, Transitorio RC.

Tema 3. Magnetostática (6 horas)Campo magnético, Fuerza de Lorentz y Aplicaciones, Fuerza sobre conductores, Ley de Biot-Savart , Ley de Ampère, Campos magnéticos de interés, Magnetismo en la materia.

Tema 4. Campos variables en el tiempo (5 horas)Ley de Faraday-Lenz, Autoinducción e inducción mutua, Energía asociada al campo magnético, Transitorio RL.

Tema 5. Circuitos de corriente alterna (6 horas)Generador de corriente alterna, Aspectos generales de señales armónicas, Fasores (resistencias, condensadores y bobina en corriente alterna), Impedancia, Potencia en corriente alterna, Leyes Kirchhoff, Estudio de circuitos elementales en función de la frecuencia.

Tema 6. Ondas electromagnéticas (6 horas)Conceptos generales, Ondas armónicas, Interferencia y difracción, Ondas estacionarias, Ley de Ampère-Maxwell, Características de las ondas electromagnéticas, Intensidad de ondas electromagnéticas, Generación y recepción de ondas electromagnéticas, El espectro electromagnético.

Tema 7. Dispositivos semiconductores (3 horas)Conductores, semiconductores y aislantes, Unión pn en equilibrio, Descripción cualitativa de las corrientes en la unión PN polarizada, Ecuación del diodo, Transistor MOSFET.

0.3 Exámenes y reglas del juego (Teoría).

ExámenesFinal del cuatrimestre: 10 puntos

12 Preguntas

6 de los temas 1, 2 y 3- 5 preguntas cortas- 1 pregunta de desarrollo

6 de los temas 4, 5, 6 y 7- 5 preguntas cortas- 1 pregunta de desarrollo

Parcial 1:Examen de los temas 1, 2 y 3. Para tenerlo en cuenta es necesario obtener más de 5 puntos (5 preguntas cortas y 1 pregunta de desarrollo).

Parcial 2:Examen de los temas 4, 5, 6 y 7. Para tenerlo en cuenta es necesario obtener más de 5 puntos (5 preguntas cortas y 1 pregunta de desarrollo).

FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA

GRADO I. I. Tecnologías Informáticas

Prof. Norge Cruz Hernández

Tema 0. Magnitudes Físicas y Vectores.

Tema 0. Magnitudes Físicas y Vectores.

0.1 Introducción

0.2 Magnitudes físicas. Unidades. Análisis dimensional

0.3 Magnitudes escalares y vectoriales. Tipos de vectores.

0.4 Suma de vectores. Componentes de un vector. Vectores unitarios.

0.5 Producto escalar y vectorial.

Bibliografía

Clases de teoría:- Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11.

Clases de problemas:- Boletín de problemas.

0.2 Magnitudes físicas. Unidades. Análisis dimensional.

Un número empleado para describir cuantitativamente un fenómeno físico es una cantidad física.

Al medir una cantidad, siempre la comparamos con un estándar de referencia. Este estándar define una unidad de la cantidad. Por ejemplo: Si decimos que el largo de una mesa es 4.62 m, queremos decir que es 4.62 veces más largo que una unidad de medida, que en este caso es un metro. De esta forma, decir que la mesa mide 4.62 no tiene significado, será necesario decir la unidad, es decir, la mesa mide 4.62 m.

El sistema de unidades empleado por los científicos e ingenieros en todo el mundo se le conoce desde 1960 con el nombre de : “Sistema Internacional, o SI”

Tiempo: La unidad actual (desde 1967) se basa en un reloj atómico que usa la diferencia de energía entre los dos estados más bajos del átomo de cesio. Al bombardearse con microondas de cierta frecuencia exacta, el átomo sufre una transición entre dichos estados. Se define un segundo como el tiempo que tardan 9,192,631,770 ciclos de esta radiación.

Longitud: En la actualidad, el metro se define como la distancia que recorre la luz a la velocidad en el vacío (299,792,458 m/s) durante un tiempo igual a 1/299,792,458 segundos.

Masa: El estándar de masa es el kilogramo, y se define como la masa de cierto cilindro de aleación platino-iridio guardado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, cerca de París. El gramo (que no es una unidad fundamental) es 0.001 kilogramos.

Prefijos de unidades: Definidas las unidades fundamentales, es fácil introducir unidades adicionales más grandes o más pequeñas para las mismas cantidades. Los nombres de las unidades adicionales se obtienen agregando un prefijo al nombre de la unidad fundamental.

Longitud: 1 nanómetro = 1 nm = 10-9 m 1 micrómetro = 1 µm= 10-6 m1 milímetro = 1 mm= 10-3 m1 centímetro = 1 cm = 10-2 m1 kilómetro = 1 km = 103 m

Masa: 1 microgramo = 1 µg = 10-6 g = 10-9 kg1 miligramo = 1 mg= 10-3 g = 10-6 kg1 gramo = 1 g = 10-3 kg

Tiempo: 1 nanosegundo = 1 ng = 10-9 s 1 microsegundo= 1 µs= 10-6 s 1 milisegundo = 1 ms=10-3 s

Consistencia y conversiones de unidades: Las ecuaciones planteadas deben ser dimensionalmente consistentes. No podemos sumar manzanas y coches; solamente podemos sumar manzanas con manzanas y coches con coches.

Por ejemplo: un cuerpo que viaja a velocidad v recorrerá una distancia d durante el intervalo de tiempo t, en forma de ecuación se escribirá:

vtd Si sustituimos las unidades correspondientes a cada variable, debe ocurrir que ambos miembros de la ecuación serán consistentes. Así,

ssmm m

Magnitud física Unidad Abreviatura

Longitud

Masa

Tiempo

Temperatura

Corriente eléctrica

Cantidad de materia

Unidades fundamentales del SI

metro m

kilogramo kg

segundo s

kelvin K

amperio A

mol mol

Unidades suplementarias del SI

Unidades suplementarias y derivadas del SI

Unidades derivadas

Indique las dimensiones y unidades (nombre y símbolo) en el SI (Sistema Internacional) de las de las siguientes magnitudes físicas:

magnitud dimensiones

unidades  

magnitud dimensiones

unidades

nombre símbolo   nombre símbolo

longitud [L] metro m   fuerza      

masa         presión      

tiempo         energía      

superficie         potencia      

volumen         calor      

densidad 

     temperatura

    

velocidad         ángulo      

aceleración 

     velocidad angular

    

[M] kilogramo kg

[T] segundo s

[L2] metro cuadrado m2

[L3] metro cúbico m3

[M] [L-3]kilogramo pormetro cúbico kg/m3

[L] [T-1]metro porsegundo m/s

[L] [T-2] metro porsegundo cuad. m/s2

[M] [L] [T-2] Newton N

[M] [L-1] [T-2] Pascal Pa

[M] [L2] [T-2] Julio J

[M] [L2] [T-3] Watio W

[M] [L2] [T-2] Julio J

[θ] Kelvin k

adimensional radianes rad

[T-1] radianes por segundo

rad/s

0.3 Magnitudes escalares y vectoriales. Tipos de vectores.

Cantidad escalar: Son cantidades físicas que se pueden describir plenamente con un número y una unidad.

Cantidad vectorial: Son cantidades físicas que se tienen que describir con varios números: magnitud (el “qué tanto”) y dirección.

Vectores paralelos: Son los vectores que tienen la misma dirección.

a

b

La magnitud de un vector es el módulo del vector : a

Vectores iguales: son los vectores que tienen igual dirección, magnitud y sentido.

a

b

ba

Vectores antiparalelos: son dos vectores con igual dirección y sentidos opuestos, independientemente de las magnitudes de estos.

a

b

Negativo de un vector: un vector es el negativo de otro vector cuando tienen igual magnitud, dirección, y sentidos opuestos. Es un caso particular de un vector antiparalelo.

a

b

ba

Suma de vectores: La suma de un vector A y un vector B se obtiene al colocar A, y a continuación B, y el vector suma será el vector que se origina en la cola de A y se dirige a la cabeza de B.

a

b

bac

c

a

b

0.4 Suma de vectores. Componentes de un vector. Vectores unitarios.

La suma de dos vectores es conmutativa.

abba

ca

b

b

a

a

b

a

b

La resta de dos vectores

ba

a

b

)( ba

a

b

a

b

ba

El producto de un escalar por un vector.

a

2

a a

2

a

Componentes de un vector

y

A

xOyA

xA

A

yA

xA

yx AAA

Cada vector componente tiene la dirección de un eje de coordenadas, así solamente necesitamos un número para describirlo. De esta forma, cada vector A se puede definir como el par (Ax,Ay), conociendo además la dirección y sentido de cada vector componente.

cosAAx

AsenAy

22yx AAA

x

y

A

Aarctan

Suma de vectores a través de sus componentes

y

xO

A

y

xO

B

yA

xA

yB

xB

y

xO

A B

C

yA

xA

yB

xB

yyy BAC

xxx BAC

y

xO

Vector unitario: es un vector con magnitud 1, sin unidades. Su único fin es establecer una determinada dirección.

y

xO

A

j

i

jAiAA yxˆˆ

BAC

jBiBjAiAC yxyxˆˆˆˆ

jBAiBAC yyxxˆˆ

0.5 Producto escalar y vectorial.

Producto escalar: Se define el producto escalar entre dos vectores A y B como la magnitud de A multiplicada por la componente de B paralela a A. El resultado será un valor escalar y se denota como:

BA

En forma numérica esta definición se escribe de la forma:

BABABA

,cos

A

B

00 1800

AB

el producto escalar es conmutativo

Producto escalar empleando los vectores unitarios

BA

kAjAiAA zyxˆˆˆ

kBjBiBB zyxˆˆˆ

kBjBiBkAjAiA zyxzyxˆˆˆˆˆˆ

x

y

zA

B

kkBAjkBAikBA

kjBAjjBAijBA

kiBAjiBAiiBA

zzyzxz

zyyyxy

zxyxxx

ˆˆˆˆˆˆ

ˆˆˆˆˆˆ

ˆˆˆˆˆˆ

x

y

z

i

jk

1ˆˆˆˆˆˆ kkjjii

0ˆˆˆˆˆˆ kjkiji

zzyyxx BABABABA