proyecto docente comportamiento electrónico y térmico …

Datos básicos de la asignaturaTitulación: Grado en Ingeniería de MaterialesAño plan de estudio: 2011

Curso implantación: 2012-13Centro responsable: Facultad de Física

Nombre asignatura: Comportamiento Electrónico y TérmicoCódigo asigantura: 2220009Tipología: OBLIGATORIACurso: 2Periodo impartición: Primer cuatrimestre

Créditos ECTS: 9Horas totales: 225Área/s: Física de la Materia CondensadaDepartamento/s: Física de la Materia Condensada

Coordinador de la asignatura

JIMENEZ MELENDO MANUEL

Profesorado

Profesorado del grupo principal:

JIMENEZ MELENDO MANUEL

Profesorado de otros grupos de la asignatura:

BRAVO LEON ALFONSO

Objetivos y competencias

OBJETIVOS:

- Iniciarse y familiarizarse con la metodología de la Física del Estado Sólido

- Aprender a relacionar la estructura cristalina con las propiedades de los materiale

- Conocer los modelos teóricos para describir el comportamiento electrónico y térmico de los

PROYECTO DOCENTE

Comportamiento Electrónico y Térmico

Grp Clases Teóricas-Prácticas de Comportamie

CURSO 2020-21

Última modificación 01/09/2020 Página 1 de 13

materiales

- Conocer los aspectos diferenciadores del comportamiento térmico en materiales conductores y no

conductores

- Conocer los aspectos diferenciadores de la conductividad eléctrica en metales y semiconductores

- Conocer las técnicas experimentales para estudiar las propiedades electrónicas y térmicas de los

sólidos

COMPETENCIAS:

Competencias específicas:

CE1: Conocer y comprender los fundamentos matemáticos y físicos de la Ciencia de Materiales

CE3: Conocer y comprender el comportamiento electrónico y térmico de los materiales

CE11: Capacidad de diseño, desarrollo y selección de materiales para aplicaciones específicas.

Competencias genéricas:

CE3: Conocer y comprender el comportamiento electrónico, magnético, térmico y óptico de los

materiales.

CG1: Capacidad de síntesis y análisis

CG3: Conocimientos y capacidades para la resolución de problemas

CG4: Capacidad para la toma de decisiones

CG5: Capacidad de trabajo en equipo

CG8: Capacidad de razonamiento crítico

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CURSO 2020-21


CG9: Capacidad para la anticipación a los problemas

CG10: Capacidad de adaptación a nuevas situaciones

Contenidos o bloques temáticos

Comportamiento Electrónico y Térmico: Fundamentos de Termodinámica, Electromagnetismo,

Física

Cuántica y Mecánica Estadística. Aproximaciones fundamentales. Dinámica reticular. Fonones.

Propiedades térmicas: Capacidad calorífica. Dilatación térmica, conductividad térmica y choque

térmico. Conductividad en metales. Bandas de energía. Superficies de Fermi. Dinámica electrónica.

Transporte de carga bajo campos externos. Conductividad en semiconductores

Relación detallada y ordenación temporal de los contenidos

La asignatura está enfocada a la comprensión de los procesos microscópicos que tienen lugar en

los materiales y cómo determinan sus propiedades macroscópicas, en particular las propiedades

electrónicas y térmicas. La asignatura parte de la disposición periódica de las partículas

constituyentes del sólido y de sus interacciones. Se obtendrán los modelos apropiados para explicar

los distintos comportamientos observados en los materiales, utilizando elementos básicos de Física

Estadística y Física Cuántica. En particular, se insistirá en las grandes aproximaciones utilizadas

para reducir la complejidad de los sistemas en estudio. Se pretende desarrollar en los estudiantes la

percepción de que, situaciones físicamente diferentes pero con analogías, permite el uso de

soluciones ya conocidas a nuevos fenómenos. Cabe señalar también la importancia de estimar

correctamente los órdenes de magnitud de las principales propiedades de los sólidos y sus

magnitudes asociadas. Se discutirán las técnicas experimentales para estudiar las propiedades

electrónicas y térmicas de los materiales, así como sus aplicaciones tecnológicas.

PROGRAMA DE TEORÍA

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CURSO 2020-21


1. Objetivos de la asignatura (5 h)

- Estados de agregación de la materia

- Sólidos cristalinos y amorfos

- Electrones, núcleos y átomos

- Propiedades eléctricas: conductividad eléctrica y constante dieléctrica

- Propiedades térmicas: capacidad calorífica, conductividad térmica y dilatación térmica

Bibliografía: Bibliografía:Askeland, Callister, cualquier libro de Física General

2. Modelo clásico de electrones libres en sólidos (7 h)

- Hipótesis básicas del modelo de Drude de metales

- Conductividad eléctrica; efecto Hall

- Capacidad calorífica y conductividad térmica

- Fallos y limitaciones del modelo

Bibliografía: Kasap, Elliot

3. Modelo cuántico de electrones libres en sólidos (8 h)

- Introducción a la Física Cuántica

- Estado fundamental del gas de electrones; energía de Fermi

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- Función de distribución de Fermi-Dirac


- Propiedades térmicas

- Fallos y limitaciones del modelo

Bibliografía: Elliot, Kasap

4. Sólido ideal: red de Bravais y base estructural. Enlace cristalino: tipo de sólidos (5 h)

- Simetría de traslación

- Red de Bravais y base estructural

- Principales estructuras cristalinas

- Enlace cristalino: tipos de sólidos

Bibliografía: Askeland, Callister, Kittel

5. Bandas electrónicas de energía en sólidos (8 h)

- Electrones en un potencial periódico: electrones Bloch

- Estructura de bandas de energía; zonas de Brillouin

- Superficie de Fermi

- Clasificación de sólidos por su estructura de bandas

- Dinámica de electrones Bloch

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- Concepto de masa efectiva y hueco

- Movimiento de cargas en campos eléctricos y magnéticos

Bibliografía: Elliot, Kittel, Kasap

6. Semiconductores (7 h)

- Banda prohibida en semiconductores

- Densidad de portadores intrínsecos

- Dopado de semiconductores

- Densidad de portadores extrínsecos


Bibliografía: Askeland, Elliot, Kasap

7. Dieléctricos (7 h)

- Polarización y desplazamiento eléctrico

- Constante dieléctrica

- Polarizabilidad

- Ruptura dieléctrica

- Ferroeléctricos

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Bibliografía: Elliot, Tilley, Kasap

8. Vibraciones reticulares. Propiedades térmicas (13 h)

- Oscilaciones de la red atómica: vibraciones reticulares

- Aproximación armónica; modos normales

- Energía de vibración atómica. Modelos de Einstein y Debye

- Cuantización de las vibraciones reticulares. Fonones

- Capacidad calorífica

- Dilatación térmica

- Conductividad térmica

- Choque térmico

Bibliografía: Elliot, Kasap

PROGRAMA DE PRÁCTICAS

Las prácticas de laboratorio están dedicadas a la realización de experimentos claves en el

desarrollo de la materia, que profundicen y consoliden los fundamentos teóricos estudiados. Al

mismo tiempo, se pretende que los estudiantes adquieran las habilidades propias de los métodos

de la investigación científica.

1. Conductividad eléctrica de sólidos

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2. Conductividad térmica de sólidos

3. Capacidad calorífica de sólidos

4. Dilatación térmica de sólidos

5. Banda prohibida de semiconductores

6. Efecto Hall en semiconductores

7. Efectos Seebeck y Peltier

8. Capacidad eléctrica de dieléctricos y ferroeléctricos

Actividades formativas y horas lectivas

Actividad Créditos Horas

B Clases Teórico/ Prácticas 6 60

E Prácticas de Laboratorio 3 30

Metodología de enseñanza-aprendizaje

Prácticas de Laboratorio

Véase pp. 43 a 48 de la "Memoria para la verificación del título de Grado en Ingeniería de

Materiales por la Universidad de Sevilla" que se puede obtener en

http://fisica.us.es/sites/default/files/ficheros/file/GIM_Final_210611.pdf

Clases teóricas




Sistemas y criterios de evaluación y calificación

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CURSO 2020-21


El Reglamento General de Actividades Docentes de la Universidad de Sevilla se puede encontrar

en el BOUS núm. 2, de 10 de febrero de 2009.




Criterios de calificación del grupo

1. La asistencia a las sesiones de seminarios/prácticas de laboratorio de los viernes es obligatoria

(exceptuando los alumnos que tengan aprobada esta actividad en los dos cursos anteriores).

2. Realización de un examen parcial escrito el día 18 de diciembre de 2020, consistente en

cuestiones de índole conceptual y ejercicios, de los temas 1 a 6. El examen es eliminatorio de

materia. La calificación de corte (para liberar materia y realizar la media con el resto de pruebas) es

de 4 puntos (sobre 10). Tiene un peso del 45% de la calificación global.

3. Realización de un examen parcial escrito el día 29 de enero de 2021, consistente en cuestiones

de índole conceptual y ejercicios, de los temas 7 y 8. El examen es eliminatorio de materia. La

calificación de corte (para liberar materia y realizar la media con el resto de pruebas) es de 4 puntos

(sobre 10). Tiene un peso del 30% de la calificación global.

4. Evaluación de las prácticas de laboratorio (25% de la calificación final) mediante:

- Exposición oral de una de las prácticas realizadas, elegida por el profesor, el 22 de enero de 2021

(50% de la calificación).

- Entrega de la memoria escrita de una de las prácticas realizadas, elegida por el profesor, el mismo

día de la exposición (50% de la calificación).

El apto de la parte de prácticas se mantiene para dos cursos consecutivos. A partir de aquí, hay que

realizarlas nuevamente.

5. Los alumnos que no obtengan el apto con el sistema anteriormente descrito deben realizar los

exámenes escritos de las convocatorias oficiales publicadas por el Decanato. El examen constará

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de cuestiones de índole conceptual y ejercicios de los temas impartidos. En caso de no tener el apto

en la parte de prácticas, el alumno debe realizar previamente un examen de prácticas, que debe

superar para presentarse a las convocatorias oficiales.

PLAN DE CONTINGENCIA PARA EL CURSO 2020/21

* Escenario A (semipresencialidad)

- Adaptación de la docencia:

(i) Las clases de teoría/problemas se impartirán en el aula, en el horario asignado, transmitiéndolas

en directo. Los primeros diez minutos de cada clase se reservarán para las cuestiones planteadas

por los estudiantes, preferentemente los no presentes.

(ii) Las sesiones de prácticas de laboratorio se realizarán individualmente. Dada la capacidad del

laboratorio, el 50% de los estudiantes las realizarán de forma presencial y el resto dispondrán de las

mismas prácticas grabadas en vídeo, en el horario asignado. Posteriormente, el desarrollo y análisis

de las prácticas se realizará por parejas. Dada la excepcionalidad de la situación, todo estudiante

con apto en las prácticas en cursos anteriores queda exento de realizarlas.

(iii) Las tutorías se realizarán preferentemente por videoconferencia, en los horarios establecidos

por el Departamento.

- Adaptación de los procesos de evaluación:

El sistema de calificación y evaluación se mantiene igual que en el escenario 0. En caso, necesario,

los exámenes escritos se realizarán en varias tandas en el mismo día.

* Escenario B (suspensión de la actividad presencial)

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CURSO 2020-21


- Adaptación de la docencia:

(i) Las clases de teoría/problemas se impartirán en el aula/despacho del profesor, en el horario

asignado, transmitiéndolas en directo. Los primeros diez minutos de cada clase se reservarán para

las cuestiones planteadas por los estudiantes.

(ii) Los alumnos dispondrán de las prácticas grabadas en vídeo, en el horario asignado. En caso

necesario, se sustituirán las prácticas de mayor complejidad por simulaciones, manteniendo los

mismos objetivos. Posteriormente, el desarrollo y análisis de las prácticas se realizará por parejas.

Dada la excepcionalidad de la situación, todo estudiante con apto en las prácticas en cursos

anteriores queda exento de realizarlas.

(iii) Las tutorías se realizarán por videoconferencia, en los horarios establecidos por el

Departamento.

- Adaptación de los procesos de evaluación:

El sistema de calificación y evaluación se mantiene igual que en el escenario 0, sustituyendo las

pruebas por un formato no presencial, en el horario asignado.

Horarios del grupo del proyecto docente

https://fisica.us.es/docencia/titulaciones

Calendario de exámenes

https://fisica.us.es/docencia/titulaciones

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Tribunales específicos de evaluación y apelación

Presidente: MANUEL JIMENEZ MELENDO

Vocal: JULIAN MARTINEZ FERNANDEZ

Secretario: ALFONSO BRAVO LEON

Suplente 1: FRANCISCO CUMBRERA HERNANDEZ

Suplente 2: CLARA FRANCISCA CONDE AMIANO

Suplente 3: DIEGO GOMEZ GARCIA

Bibliografía recomendada

BIBLIOGRAFÍA GENERAL:

Ciencia e Ingeniería de los Materiales

Autores: D.R. Askeland

Edición: 2014

Publicación: Paraninfo 2001

ISBN: 9788497328944

Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales

Autores: W.D. Callister

Edición: 2014

Publicación: Reverté 2005

ISBN: 9788497328944

Introducción a la física del estado sólido

Autores: C. Kittel

Edición: 2014

Publicación: Reverté 2003

ISBN: 9788497328944

Principles of Electrical Engineering Materials and Devices

Autores: S.O. Kasap

Edición: 2014

Publicación: McGraw ¿ Hill 2000

ISBN: 9788497328944

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The physics and chemistry of solids

Autores: S.R. Elliot

Edición: 2014

Publicación: Wiley 2005

ISBN: 9788497328944

Understanding Solids

Autores: R. Tilley

Edición: 2014

Publicación: Wiley 2004

ISBN: 9788497328944

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