Fundamentos físicos de la informática

450 Pages·2016·18.366 MB·Spanish

by  Margarita Bachiller Mayoral

PRESENTACIÓN
Este libro tiene como objetivo proporcionar a los alumnos de informática los
principios básicos sobre campos electrostáticos, Teoría de Circuitos y Dispositivos
Electrónicos y Fotónicos. El manejo de estos conceptos permitirá a los alumnos
comprender algunos de los conceptos estudiados en los últimos temas de Funda­
mentos de Sistemas Digitales y, por supuesto, el funcionamiento de algunos de
los dispositivos utilizados en informática. Hay que decir que la mayoría de los
libros existentes dedicados a electrostática no llegan a estudiar los dispositivos
electrónicos y fotónicos ni las puertas lógicas necesarias a la hora de implementar
cualquier circuito electrónico y además, presentan un enfoque físico.
El contenido de este libro se dividen en tres partes:
Parte I: Electrom agnetismo
El electromagnetismo es el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos causa­
dos por cargas eléctricas en reposo o en movimiento. Un campo eléctrico variable
con el tiempo está acompañado por un campo magnético, y viceversa. En otras
palabras, los campos eléctricos y magnéticos variables con el tiempo están aco­
plados, produciendo un campo electromagnético.
Las fuerzas electromagnéticas controlan la estructura de los átomos y de todos
los materiales, y la luz. El electromagnetismo está en la base de la producción de
energía eléctrica, la radio, la TV, la informática y los medios de telecomunicación,
por lo que podemos decir que juega un papel crucial en nuestra vida. Nos pro­
ponemos abordarlo de forma sencilla, sin gran aparato matemático, para hacer
comprensibles algunas de sus características más importantes.
Los dos primeros capítulos de esta primera parte, presentan el desarrollo de la
teoría del campo electrostático, es decir, de cargas eléctricas en reposo respecto
al observador. Las leyes y teoremas que vamos a estudiar tienen su origen en
fenómenos observados macroscópicamente, y es precisamente desde este punto de
vista como van a ser estudiadas. El tercer capítulo se dedica al estudio de los
campos magnéticos.
Parte II: T eoría de C ircuitos
La Teoría de Circuitos es aquella parte que comprende los fundamentos para el
estudio de los circuitos eléctricos permitiendo calcular los niveles de tensión y co­
rriente en cada punto de un circuito en respuesta a una determinada excitación.
IX
FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA
Realmente, la Teoría de Circuitos es una simplificación de la Teoría Electromag­
nética de Maxwell la cual se basa en considerar las corrientes cuasiestacionarias,
lo que implica que sólo puede aplicarse cuando la longitud de onda de las señales
(ondas electromagnéticas) presentes en el circuito es mucho mayor que las dimen­
siones físicas de éste. Esto quiere decir, que la propagación de las ondas en el
circuito es instantánea.
Las bases de esta parte están en la Ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff, las cuales
fueron aplicadas inicialmente a corrientes que no varían con el tiempo debido a
la utilización de generadores de corriente continua tales como las pilas eléctricas.
Sin embargo, cuando apareció la corriente alterna la teoría tuvo que adecuarse a
magnitudes que varían de forma sinusoidal con el tiempo lo que introdujo el uso
de vectores estacionarios o fasores.
Esta parte de la asignatura se ha dividido en tres capítulos. El primero se dedica
al estudio de los circuitos de corriente continua. Es en este capítulo donde se
analizarán las distintas reglas para el análisis de los circuitos eléctricos. En el
segundo capítulo se analiza el comportamiento de los circuitos cuando en ellos se
produce un cambio brusco de las condiciones, por ejemplo, cuando se cierra un
interruptor. Finalmente, el tercer capítulo se centra en el estudio de los circuitos
de corriente alterna.
Parte III: D ispositivos E lectrónicos y Fotónicos
Una vez adquirida la base para entender los circuitos, esta última parte de la
asignatura se centra en el estudio de los dispositivos electrónicos y los dispositivos
fotónicos.
Los dispositivos electrónicos (diodos, transistores bipolares y transistores de efecto
campo) se emplean en la síntesis de los operadores lógicos (AND, OR, NOT,
NAND y ÑOR) que serán utilizados en el diseño de un sistema digital. El propósito
final es estudiar las distintas familias lógicas. Cada.familia lógica corresponde a
una forma específica de diseñar los operadores básicos. Este estudio nos va a
proporcionar los argumentos físicos para la caracterización de los circuitos lógicos
en términos de parámetros tales como la velocidad o consumo. Por consiguiente, es
el puente con la Electrónica Digital donde ya no se hace referencia a las estructuras
internas de las puertas lógicas pero se depende de la solución tecnológica usada
en la implementación. De hecho, una parte importante de las prestaciones de
un sistema de cálculo dependen de la familia lógica usada en la síntesis de sus
memorias y unidades de proceso.
X
Los dispositivos fotónicos se emplean en la transmisión de información. Entre éstos
encontramos los láseres que transforman la energía eléctrica en energía óptica; los
fotodetectores que producen una señal eléctrica al detectar una señal óptica y las
células solares que convierten la energía óptica en eléctrica. El propósito de esta
parte es presentar al alumno los fundamentos físicos de los dispositivos fotónicos.
El primer capítulo de esta tercera parte, se centra en el estudio de la conducción
eléctrica en los semiconductores para, a continuación, analizar el comportamien­
to de los distintos dispositivos electrónicos. En el segundo capítulo se presentan
las distintas familias lógicas. Finalmente, en el tercer capítulo se describen los
fundamentos físicos que permiten entender el funcionamiento de los dispositivos
fotónicos.
XI

Indice general
I Electromagnetismo 1
1. Campos Electrostáticos 3
1.1. Carga eléctrica.......................................................................................... 5
1.1.1. Cuantificación de la carga......................................................... 7
1.1.2. Conservación de la carga ......................................................... 8
1.1.3. Cargas eléctricas puntuales y distribuciones continuas de
carga eléctrica ............................................................................. 8
1.1.3.1. Densidad lineal de carga ......................................... 9
1.1.3.2. Densidad superficial de carga ................................. 9
1.1.3.3. Densidad volumétrica de carga.................................. 10
1.2. Fuerza eléctrica: Ley de Coulomb ........................................................ 10
1.2.1. Fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales ......................... 10
1.2.2. Principio de superposición lineal ............................................ 12
1.2.3. Fuerza eléctrica ejercida por un sistemas de cargas
puntuales....................................................................................... 13
1.2.4. Fuerza eléctrica ejercida por distribuciones continuas
de carga.......................................................................................... 14
1.3. Campo Eléctrico....................................................................................... 18
1.3.1. Campo eléctrico creado por una carga puntual ................... 19
1.3.2. Campo eléctrico de un sistema de cargas puntuales............ 20
XIII
FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA
1.3.3. Campo eléctrico de distribuciones continuas.......................... 22
1.3.4. Movimiento de cargas puntuales en campos eléctricos . . . . 27
1.4. Los dipolos eléctricos................................................................................ 29
1.4.1. Campo eléctrico creado por un dipolo .................................... 30
1.4.2. Comportamiento de los dipolos dentro de un campo
eléctrico........................................................................................... 32
1.5. Las líneas del campo eléctrico................................................................ 34
1.6. Ley de Gauss............................................................................................. 36
1.7. Conductores y aislantes ....................................................................... 49
1.8. Resumen y Ecuaciones Básicas ............................................................. 51
1.9. Ejercicios de Autoevaluación................................................................... 53
2. Potencial Eléctrico 59
2.1. Potenpial eléctrico ................................................................................... 61
2.1.1. Potencial eléctrico de un sistema de cargas puntuales . . . . 6 3
2.1.2. Potencial eléctrico de distribuciones continuas de carga . . . 64
2.2. Superficies equipotenciales....................................................................... 70
2.3. Energía potencial electrostática............................................................. 71
2.4. Capacidad.................................................................................................... 74
2.5. Almacenamiento de la energía eléctrica................................................ 75
2.6. Condensadores.......................................................................................... 78
2.6.1. Condensadores de placas planas paralelas ............................. 78
2.6.2. Condensadores cilindricos............'. .......................................... 80
2.7. Asociación de condensadores .......................................................... 83
2.7.1. Condensadores en paralelo.................................................. 83
2.7.2. Condensadores en serie......................................................... 85
2.8. Dieléctricos................................................................................................ 89
2.8.1. Estructura molecular de un dieléctrico................................... 89
XIV
ÍNDICE GENERAL
2.8.2. Ley de Gauss en dieléctricos...................................................... 91
2.8.3. Dieléctricos en condensadores................................................... 92
2.8.4. Condensadores con varios dieléctricos...................................... 94
2.8.5. Energía almacenada en condensadores con dieléctricos . . . 95
2.9. Resumen y Ecuaciones Básicas ...............................................................100
2.10. Ejercicios de Autoevaluación.....................................................................102
3. Campos Electromagnéticos 109
3.1. Imanes........................... 111
3.2. Fuerza ejercida por un campo magnético..............................................111
3.2.1. Fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga
móvil ................................................................................................111
3.2.2. Fuerza ejercida por un campo magnético sobre una corriente
eléctrica.............................................................................................114
3.2.3. Fuerza ejercida por un campo magnético sobre una espira
rectangular.......................................................................................118
3.2.4. Energía en las espiras ..................................................................121
3.3. Líneas de campo magnético.....................................................................122
3.4. Efecto Hall ..................................................................................................123
3.5. Campo magnético creado por cargas puntuales en movimiento . . . 125
3.6. Campo magnético creado por corrientes eléctricas: Ley de Biot y
Savart.............................................................................................................127
3.7. Flujo magnético............................................................................................136
3.8. Ley de Gauss para el magnetismo............................................................137
3.9. Ley de Ampére............................................................................................137
3.10. Ley de Faraday y Ley de Lenz..................................................................143
3.10.1. Medios estacionarios......................................................................145
3.10.2. Medios en movimiento...................................................................146
3.11. Inductancia..................................................................................................148
XV
:
FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA
3.11.1. Autoinducción ...............................................................................148
3.11.2. Inducción mutua............................................................................150
3.12. Energía magnética......................................................................................152
3.13. Resumen y Ecuaciones Básicas................................................................153
3.14. Ejercicios de Autoevaluación......................................................................155
II Teoría de Circuitos 163
4. Circuitos de Corriente Continua 165
4.1. Introducción...................................................................................................167
4.2. La corriente eléctrica...................................................................................170
4.3. Resistencia y Ley de Ohm..........................................................................172
4.4. Circuitos eléctricos......................................................................................175
4.4.1. Concepto de circuito eléctrico.....................................................176
4.4.2. Magnitudes fundamentales en los circuitos eléctricos . . . . 177
4.4.3. Elementos básicos .........................................................................181
4.4.3.1. Las fuentes de energía eléctrica...................................182
4.4.3.2. Las resistencias................................................................185
4.4.3.3. Los condensadores.........................................................191
4.4.3.4. Las bobinas......................................................................193
4.4.3.5. Los transformadores......................................................194
4.4.3.6. Componentes electrónicos............................................195
4.4.4. Partes de un circuito.....................................................................195
4.5. Leyes de Kirchhoff..................................................................................196
4.6. Aplicación de las Leyes de Kirchhoff al análisis de circuitos.................197
4.7. Teorema de Norton........................ 205
4.8. Teorema de Thevenin..................................................................................208
4.9. Teorema de Millman..................................................................................213
4.10. Resumen y Ecuaciones Básicas..............................................................214
4.11. Ejercicios de Autoevaluación......................................................................216
XVI