Física I

Como resultado del aprendizaje los estudiantes serán capaces de conocer y comprender los conceptos básicos sobre las leyes generales del electromagnetismo. Analizarán y resolverán circuitos de corriente continua y alterna, así como conocerán los fundamentos de la electrónica y los circuitos básicos con amplificadores operacionales.
Adquirirán la capacidad para resolver problemas que involucran cuestiones de electromagnetismo y circuitos en el ámbito de la Ingeniería robótica. Conseguirán destreza para aplicar el método científico con rigor en mediciones y cálculos y en la elaboración de informes de laboratorio. Se hará hincapié en el análisis de incertidumbres y en la presentación correcta de los resultados experimentales.

La memoria del título contempla para esta asignatura los siguientes contenidos:

Campo eléctrico. Corriente eléctrica. Campo magnético. Inducción magnética. Circuitos de corriente continua y alterna. Ondas electromagnéticas. Introducción a la electrónica y circuitos básicos con amplificadores operacionales

Estos contenidos teóricos serán desarrollados de acuerdo con el siguiente temario:

BLOQUE TEMÁTICO I: ELECTROMAGNETISMO.

Distribución de horas en este bloque:
Horas presenciales: 14 expositivas, 7 de seminarios, 8 de laboratorio, 2 de tutorías.
Horas no presenciales: 34 expositivas, 8 de seminarios, 7 de laboratorio, 4 de tutoría en grupo, 4 de tutoría personalizada, 5 de evaluación y revisión.


TEMA 1. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS.

Introducción. Carga eléctrica. Distribuciones de carga eléctrica. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Principio de superposición. Líneas de campo. Fuentes escalares de campo: ley de Gauss. Aplicación de la ley de Gauss. Trabajo, energía y potencial electrostático. Superficies equipotenciales. Ecuación de Poisson y de Laplace. Energía en función del campo eléctrico. Estudio del dipolo eléctrico. - Materiales conductores. Teoremas de Faraday y de Coulomb. Condensadores: tipos y asociaciones. Energía almacenada en un condensador. Materiales dieléctricos. Polarización de un dieléctrico. Generalización de la ley de Gauss. Vector de desplazamiento eléctrico. Relación constitutiva. Condensador relleno de un dieléctrico. Fuerza de Lorentz e implicaciones. Diferencias entre campo eléctrico y magnético. Líneas de campo magnético. Flujo magnético. Fuerza magnéticas sobre un conductor que transporta corriente. Ejemplos. Fuentes de campo magnético. Ley de Biot-Savart. Ley de Ampere. Ley de Faraday. Aplicaciones. Inductancia mutua. Inductores. Asociación. Energía almacenada en una bobina



TEMA 2. CORRIENTE CONTINUA.
Introducción: magnitudes fundamentales. Intensidad y densidad de corriente. Ecuación de continuidad. Relación constitutiva: ley de Ohm. Conductividad y resistencia eléctrica. Potencia y energía eléctrica: ley de Joule. Elementos activos ideales y reales: generadores de tensión y de corriente. Receptores y fuerza contraelectromotriz. Asociación de elementos activos y pasivos. Concepto de circuito eléctrico. Teoría de circuitos de corriente continua: ecuación del circuito y leyes de Kircchoff. Métodos de resolución de circuitos: corrientes de malla y tensiones en los nudos. Teorema de superposición. Teoremas de Thevenin y Norton. Teorema de máxima transferencia de potencia. Balance de potencias.


TEMA 3. CORRIENTE ALTERNA.
Introducción. Generación de señales variables: fem alterna. Propiedades: valor medio y eficaz. Representación fasorial de las señales alternas sinusoidales. Elementos pasivos: asociaciones. Elementos activos: asociación y conversión. Potencia y energía: potencia compleja. Factor de potencia su corrección. Resonancia y antirresonancia. Asociación de elementos activos y pasivos. - Teoría de circuitos de corriente alterna: leyes de Kirchhoff fasoriales. Métodos de resolución de circuitos: corrientes de malla y tensiones en los nudos. Teorema de superposición. Teoremas de Thevenin, Norton. Teorema de máxima transferencia de potencia. Comportamiento de los componentes básicos frente a señales alternas: resistencias, condensadores y bobinas. Filtros pasivos: paso alto, paso bajo, paso banda.





BLOQUE TEMÁTICO II: FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Horas presenciales: 10 expositivas, 5 de seminarios, 4 de laboratorio, 1 de tutorías. Horas no presenciales: 14 expositivas, 6 de seminarios, 3 de laboratorio, 1 de tutoría en grupo, 2 de tutoría personalizada, 2 de evaluación y revisión.




TEMA 4. AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
Principio de operación. Lazo abierto. Lazo cerrado. Parámetros de los amplificadores operacionales. Amplificador operacional ideal y real. Aplicaciones. Introducción a los filtros activos: circuitos integrados para su construcción.


TEMA 5. SEMICONDUCTORES.
Principios, tipos y aplicaciones. Tipos de portadores de carga. Uniones PN, NP. Diodos: analogía hidráulica y aplicaciones básicas. Diodo Zener. Fotodiodos. Introducción a los transistores.: tipos de transistores, funcionamiento y polarización. Fuentes de alimentación: rectificación. Osciladores básicos.


Prácticas de laboratorio:

La parte teórica de la materia se complementará con una parte de enseñanza en el laboratorio. En esta parte se ilustrarán contenidos específicos del programa de la materia y permitirán al alumnado desarrollar competencias transversales de la titulación.
Todas las prácticas se realizarán en el laboratorio en sesiones de 4 horas por práctica. Cada estudiante realizará al menos 3 prácticas, lo que hace un total de 12 h de trabajo en el laboratorio. El profesor asignará a cada estudiante las prácticas que debe realizar de entre las siguientes:

Ley de Coulomb.
Inducción magnética.
Fuerza de Lorentz.
Transistor bipolar.
Determinación de la constante dieléctrica de diferentes materiales.
Transistor de efecto campo.
Circuitos de corriente continua.
Circuitos de corriente alterna.
Circuito RCL con Arduino.
Oscilaciones en circuitos RLC.
Circuitos con amplificadores operacionales.
Análisis de un filtro RC paso bajo con apoyo de Arduino.
Control de corriente con un transistor con apoyo de Arduino.
Rectificador AC a DC con apoyo de Arduino.

Proyectos de simulación por ordenador:

De forma voluntaria el estudiante podrá desarrollar a lo largo del curso simulaciones por ordenador. Empleando un lenguaje de alto nivel, como Python, el estudiante aprenderá a programar sus simulaciones al tiempo que profundiza en el entendimiento del fenómeno físico. Los bajo precios de los microcontroladores Arduino nos permite combinar este hardware con programación en Python para llevar experimentos de computación física simples que permitan aumentar el aprendizaje autónomo y la motivación del estudiante.
En esta materia ofrecemos al estudiante, de forma individual y voluntaria, poder llevar a cabo trabajos de simulación por ordenador de distintos fenómenos físicos. Una lista de los posibles trabajos a desarrollar sería:

Circuitos de corriente continua.
Campo electrostático a partir del potencial.
Fuerza de Lorentz sobre una partícula.
Energía de un campo electrostático.
Oscilaciones en circuitos RLC.
Transitorios en circuitos RC o RL.
Circuito RC con Arduino.

Básica:
Sears y Zemansky. Física universitaria con física moderna. Pearson 2013. ISBN: 9786073221900 (v.2)
Charles K. Alexander. Mathew N. O. Sadiku. Fundamentals of electric circuits. McGraw-hill Education, cop. 2017. ISBN:9781259251320
Fraile Mora. Circuitos eléctricos. Pearson 2012. ISBN: 9788483227954.
J. Galiana, J. Martinez. Problemas resueltos de electrónica analógica. ECU 211. ISBN: 978-84-9948-653-6.
Floyd. Principios de circuitos eléctricos. Pearson 2007. ISBN: 978-970-26-0967-4.

Complementaria:
Taylor R. Introducción al análisis de errores: el estudio de las incertidumbres en las mediciones físicas. Reverté, 2014. ISBN: 978-84-291-5184-8.
Análisis de incertidumbres usando Python:
https://pythonhosted.org/uncertainties/_downloads/uncertaintiesPythonPa…
Burbano Ercilla. Problemas de física. 27º ed. Tébar, 2007. ISBN: 978-84-95447-27-2.
Fraile Mora, J., Fraile Ardanuy, J.: Electromagnetismo: Teoría y Problemas. Ed. Ibergarceta Publicaciones, 2015. ISBN: 978-84-1622-828-7.
John Okyere Attia. Circuits and Electronics. Hands-on learning with analog discovery. CRC Press 2018. ISBN: 978-1-138-29732-6.

Al terminar con éxito esta asignatura, los y las estudiantes serán capaces de:

Conocimiento:
Con06. Comprender los conceptos básicos sobre las leyes generales del electromagnetismo.
Con07. Conocer los fundamentos de la electrónica analógica.

Destreza:
H/D06. Solucionar problemas que involucran cuestiones de electromagnetismo en el ámbito de robótica.
H/D07. Manejar los instrumentos propios de un laboratorio de electrónica básica.
H/D08. Saber utilizar las técnicas de análisis de circuitos tanto en corriente continua y alterna como en circuitos electrónicos.

Competencia:

Comp03. Entender, en problemas de ingeniería, los fundamentos físicos en los que se basa la ingeniería de la robótica: estática, cinemática, dinámica, electromagnetismo y circuitos eléctricos y electrónicos.

Adicionalmente, en esta materia, el estudiante adquirirá una serie de competencias genéricas, deseables en cualquier titulación universitaria, y específicas,propias de la ingeniería en general o de la robótica en particular. Dentro del marco que se diseñó para la titulación, se trabajan las siguientes:

Competencias básicas:

CB1: Que los estudiantes hayan demostrado poseer y comprender conocimientos en un área de estudio que parte de la base de la educación secundaria general, y se suele encontrar a un nivel que, si bien se apoya en los libros de texto avanzados, incluye también algunos aspectos que implican conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio.
CB2: Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio.
CB3: Que los estudiantes tengan la capacidad de reunirse e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética.
CB4: Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado.
CB5: Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.

Competencias generales:

CG1: Conocimiento de materias básicas y tecnologías, que le capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y tecnologías, así como que le dote de una gran versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.
CG3: Capacidad de utilizar herramientas informáticas para el modelado, la simulación y el diseño de aplicaciones de ingeniería.
CG5: Ser capaz de obtener y analizar información sobre circuitos, elementos de máquinas, control automático, sensores y sistemas informáticos, con el fin último de lograr aplicaciones robóticas autónomas y flexibles.
CG6: Concebir, calcular, diseñar y poner en marcha algoritmos, equipos o instalaciones en el ámbito de la robótica, para aplicaciones industriales o de servicios, teniendo en cuenta aspectos de calidad, seguridad, criterios medioambientales, uso racional y eficiente de recursos.
CG7: Capacidad de trabajar en un grupo multidisciplinar y de comunicar, tanto por escrito como de forma oral, conocimientos, procedimientos, resultados e ideas relacionadas con la robótica y la electrónica.

Competencias transversales:

CT1: Capacidad de análisis y síntesis.
CT2: Capacidad para el razonamiento y la argumentación.
CT3: Capacidad de trabajo individual, con actitud autocrítica.
CT4: Capacidad para trabajar en grupo y abarcar situaciones problemáticas de forma colectiva.
CT5: Capacidad para obtener información adecuada, diversa y actualizada.
CT6: Capacidad para elaborar y presentar un texto organizado y comprensible.
CT7: Capacidad para realizar una exposición en público de forma clara, concisa y coherente.
CT8: Compromiso de veracidad de la información que ofrece a los demás.
CT9: Habilidad en el manejo de tecnologías de la información y de la comunicación (TIC).
CT10: Utilización de información bibliográfica y de Internet.
CT12: Capacidad para resolver problemas mediante la aplicación integrada de sus conocimientos.

Se seguirán las metodologías generales descritas para este grado en el apartado 5.1 de la memoria de la titulación.

El desarrollo de las actividades programadas de la materia se llevará a cabo en diferentes tipos de sesiones.

Lección magistral - Grupo grande (50 alumnos)

Clases magistrales de contenido teórico con apoyo de material multimedia: vídeos, diapositivas. Se hará uso de la plataforma Microsoft Teams y del Campus Virtual para distribuir el material de apoyo.

Seminarios – Grupos reducidos (25 alumnos máximo)
Seminarios para realización de problemas-tipo (ampliación y aplicación de las explicaciones anteriores)

Competencias y destrezas trabajadas: Con06, Con07, H/D06, H/D08, Comp03, CB=1,2,3,4,5; CG= 1,5,6; CT=1,2,4,7,10,12.


Prácticas de laboratorio (25 alumnos máximo)

Habrá una parte práctica de laboratorio obligatoria. Cada estudiante realizará al menos tres prácticas y elaborará un informe técnico donde tratará de forma rigurosa los datos obtenidos y las conclusiones que pueda extraer. Al estudiante se le suministrará un guion, donde se especificará como se realizan las mediciones con el instrumental asignado y el trabajo a realizar. Si la práctica y el tiempo lo permite se le propondrá al alumnado que diseñen sus propios objetivos y la metodología para conseguirlos. Todo este proceso será supervisado por el profesor de laboratorio, que asesorará en el manejo del instrumental y la adquisición/tratamiento de datos.

Competencias y destrezas trabajadas: Con06, Con07, H/D06, H/D07, H/D08, Comp03, CB=1,2,3,4,5; CG= 1,3,5,7; CT=1,2,3,4,5,6,8,9,10,12.

Tutorías.

Las sesiones de tutorías serán dedicadas a la introducción al manejo de distintos aparatos que los estudiantes se encontrarán en el laboratorio y al cálculo de incertidumbres. Estas sesiones serán muy útiles al alumnado para el cálculo experimental que tendrán que desarrollar en las sesiones de laboratorio.

Competencias y destrezas trabajadas: CB=4,5; CG= 1,3; CT=1,2,3,6,8,9,12; H/D06, H/D07, H/D08, Comp03.

De acuerdo con la memoria del grado, el sistema de evaluación será resultado de la ponderación entre un examen final, la realización de prácticas en el laboratorio y la entrega y presentación de problemas, trabajos y pequeños proyectos que se irán proponiendo a lo largo del curso.

El sistema de evaluación será el mismo para la primera oportunidad como para la segunda oportunidad.

Para los casos de realización fraudulenta de ejercicios o pruebas será de aplicación la “Normativa de avaliación do rendemento académico dos estudantes e de revisión de cualificacións”.
El sistema de evaluación se llevará a cabo de la siguientes forma:
El alumnado realizará un examen final de la asignatura, de manera presencial o a través del campus virtual. (50% de la nota global). La calificación mínima para que el estudiante pueda superar esta parte y la asignatura será de 5 sobre 10.
Competencias evaluadas: CT=1,2,6,12; Comp03.
La parte práctica de la materia se evaluará de forma continua durante la realización de cada experiencia en el laboratorio. El estudiante deberá entregar un trabajo escrito una vez finalizada la asistencia al laboratorio y dentro del plazo indicado. La calificación mínima para que el estudiante pueda superar esta parte y la asignatura será de 5 sobre 10. (La parte práctica supondrá el 25 % de la nota global).
Competencias evaluadas: CB=3,4,5; CT=1,2,4,5,6,8,9,10,12; H/D06, H/D07, H/D08, Comp03.
Se considerará como “Suspenso” en la asignatura de Física I, tanto en la primera oportunidad como en la segundad oportunidad, a cada estudiante que en prácticas de laboratorio no alcance la cualificación de apto (mínimo 5 puntos sobre 10) o que no haya asistido a las sesiones de laboratorio indicadas por el profesorado.

Actividades propuestas en el aula y en el campus virtual. (25% de la nota global).
Competencias evaluadas: CB=3,4,5; CT=1,2,3,5,6,8,9,12; Comp03.


La cualificación de las tareas de evaluación continua, actividades propuestas en clase y en el campus virtual, solamente se conservará para la primera y segunda oportunidad del curso académico en el que se hayan realizadas. La nota de laboratorio se conservará durante los tres cursos académicos siguientes.

Los estudiantes que tengan dispensa de asistencia a alguna de las actividades docentes programadas por motivo de trabajo, conciliación familiar se tienen que atener a lo dispuesto en la Instrucción 1/2007 de la Secretaría Xeral. En estos casos, para aprobar esta materia es obligatorio la asistencia a las prácticas de laboratorio y al examen final, programadas en el horario de la asignatura y previstas en esta programación docente.

Se indica a continuación una estimación del número de horas que se deben dedicar a cada actividad formativa.

Docencia expositiva (24 h; asistencia muy aconsejable)
Docencia interactiva en laboratorio (prácticas) (12 h; asistencia obligatoria)
Docencia interactiva aula (seminarios) (12 h; asistencia muy aconsejable)
Tutorías (3 h; asistencia obligatoria)
Tutorías individualizadas (4 h; asistencia aconsejable)
Realización de examen (5 h; asistencia obligatoria)
Revisión de teoría y realización de ejercicios (48 h; trabajo individual)
Preparación de memoria de laboratorio (10 h; trabajo individual o en grupo reducido)
Realización de tareas y proyectos (25 h; trabajo individual o en pequeños grupos)
Preparación y revisión de examen (7 h; trabajo individual)

Participar de forma activa en las clases y seguir las indicaciones del profesorado para el estudio de la materia.
Un estudio diario facilitará el seguimiento de las clases y la superación de las pruebas de evaluación.
Manejar la bibliografía recomendada como complemento de las clases.
Utilizar y aprovechar las tutorías.