The second part of the introductory physics course for chemistry students (Faculty of Sciences).
The course contains fundamentals of electric and magnetic fields, electromagnetic induction, linear direct and alternating current circuits, Maxwell's equations, electromagnetic waves, fundamentals of wave and geometrical optics.
Last update: ZUSKOVA (16.06.2003)
Jedná se o základní kurz, navazující na přednášku z klasické mechaniky. Poskytuje posluchačům nezbytné znalosti o elektrickém a magnetickém poli, elektromagnetické indukci, lineárních obvodech stejnosměrného a střídavého proudu, ukazuje zobecnění k Maxwelovým rovnicím a elektromagnetickým vlnám a podává základy vlnové a geometrické optiky.
Přednáška je doplněna cvičením v rozsahu 2 hod. týdně, na kterém se procvičují některé partie přednášené látky.
Literature - Czech
Last update: doc. Ing. Zuzana Limpouchová, CSc. (27.09.2013)
Stručné podklady k přednášce: viz systém Moodle
D.Halliday, R.Resnick, J.Walker: Fyzika. Část 3. Elektřina a magnetismus, Část 4. Elektromagnetické vlny - optika - relativita. VUT v Brně - nakladatelství VUTIUM a nakladatelství PROMETHEUS Praha, 2000.
B.Sedlák, I.Štoll: Elektřina a magnetismus. Academia Praha, Vydavatelství Karolinum 1993
B.E.A.Saleh, M.C.Teich: Základy fotoniky, sv. 1 a 2. Matfyzpress 1994
E.Klier: Optika. Univerzita Karlova Praha 1978
Requirements to the exam - Czech
Last update: prof. RNDr. Marek Procházka, Ph.D. (25.09.2020)
Výuka v ZS 2020/21 začne v rozvrhovaném čase online, interaktivním způsobem (=prezenčně) za využití videokonferenčních nástrojů (Google Meet, MS Teams aj.).
Zápočet bude udělen za získání dostatečného počtu bodů. Body lze získat za správně vyřešené příklady v testech (dva testy během semestru a dva opravné testy během zkouškového období) nebo za řešení náročnějších příkladů během semestru. Podrobnější informace jsou v systému Moodle. Zkouška je pouze ústní. Nutnou podmínkou pro konaní zkoušky je udělení zápočtu. Student dostane u zkoušky 3 otázky: jednu z optiky, jednu z elektřiny a jednu z magnetismu. Na přípravu má student asi 45 minut. Seznam otázek je k dispozici v systému Moodle.
Syllabus -
Last update: prof. RNDr. Marek Procházka, Ph.D. (17.08.2020)
1. The Electrostatic Field
Basic properties of electric charge, electrostatic field; Coulomb's and Gauss's laws in integral and differential form; potential ?, electric dipoles, Poisson's and Laplace's equations; conductors in an electrostatic field; capacitance, field in a parallel plate capacitor; energy stored in a capacitor.
2. The Electric Field in a Dielectric
Electric polarization and displacement; parallel plate capacitor with a dielectric; Clausius-Mossotti formula.
3. Electric Current
Electric current, current density; Ohm's law; conductivity, drift velocity, mobility; temperature dependence of the conductivity of metals and semiconductors. Direct current circuits; electromotive force; Kirchhoff's rules, electric current power.
4. The Magnetic Field
Stationary magnetic field; the Lorentz force, Biot-Savart and Ampere's law. Magnetic flux. The field due to a long, straight wire; the field of a circular loop; a long solenoid; toroid. Magnetic dipole.
5. A Charged Particle in a Uniform Magnetic Field
The motion of a charged particles in uniform magnetic fields. Cyclotron frequency, the Hall effect, a mass spectrometer. A current loop in uniform and non-uniform magnetic fields. The potential energy of a loop in a magnetic field.
6. The Magnetic Field Inside the Material
The Ampere's current loops, vectors B,M,H; Ampere's law for magnetic field intensity H. Magnetic properties of matter: diamagnetic, paramagnetic, ferro- and antiferromagnetic materials, superconductors; the magnetic field energy.
7. Electromagnetic Induction
Electromagnetic induction, Faraday's law, Lenz's law; relation between the Lorentz force and electromagnetic induction. Self-inductance and mutual inductance, self-inductance of a long solenoid.
8. Alternating Current Circuits
Transient phenomena in LR, CR, series and parallel RLC circuits; heavily damped, critically damped and lightly damped circuits, natural angular frequency. Forced oscillations in a series RLC circuit; resonance; quality factor. Phasor diagrams in the complex plane. Power in A.C. circuits; power factor.
9. Maxwell's Equations
Maxwell's equations in integral and differential form; boundary conditions.
10. Electromagnetic Waves
Wave equation in free space. Undamped homogeneous plane monochromatic wave; spherical wave. Polarization. Energy density, energy flow, the Poynting vector, intensity of the radiation.
11. Interference
Interference of a two monochromatic waves; Young's double-slit experiment; Michelson interferometer. Interference on a thin dielectric film; Fabry-Perot interferometer; interference fringers.
12. Diffraction
Diffraction of the radiation. Fresnel diffraction, Fresnel zones. Fraunhofer diffraction. Consequences for optical systems. Fraunhofer diffraction from a slit, interference on a system of slits. The diffraction grating in transmittance and reflectance; monochromator. Theoretical limit for spectral resolution.
13. Geometrical Optics
Plane wave on a boundary of two isotropic dielectrics; reflection and refraction of the wave. Fresnel's formulae, graphic illustration; Brewster's angle; polarization by reflection; total reflection.
Last update: prof. RNDr. Marek Procházka, Ph.D. (17.08.2020)
1. Elektrostatické pole (6 hod.)
Základní vlastnosti elektrického náboje, elektrostatické pole; Coulombův zákon, Gaussův zákon v integrálním a diferenciálním tvaru; pole homogenně nabité koule; potenciál j, Poissonova a Laplaceova rovnice; elektrický dipól a kvadrupól, pole elektrického dipólu; vodiče v elektrostatickém poli; kapacita; pole v deskovém kondenzátoru; energie nabitého kondenzátoru.
2. Elektrické pole v dielektriku (2 hod.)
Elektrická polarizace a indukce. Deskový kondenzátor s dielektrikem. Clausiův - Mosottiův vztah.
Stacionární magnetické pole; Lorentzova síla, Biotův - Savartův a Ampérův zákon. Gaussova věta pro magnetickou indukci. Magnetické pole přímého vodiče; magnetické pole na ose proudové smyčky; tenká cívka, velmi dlouhý solenoid, toroid.
5. Náboj v magnetickém poli (3 hod.)
Pohybující se náboj v magnetickém poli. Cyklotronová frekvence, Hallův jev, hmotový spektrograf. Pole proudové smyčky, magnetický dipól. Proudová smyčka v homogenním a nehomogenním magnetickém poli; energie smyčky v magnetickém poli.
6. Magnetické pole v látkovém prostředí (3 hod.)
Ampérovy proudové smyčky, veličiny B,M,H; Ampérův zákon pro intenzitu pole H. Základní typy magnetických vlastností látek: diamagnetika, paramagnetika, feromagnetika, supravodiče; závislosti M(H). Energie magnetického pole.
7. Elektromagnetická indukce (3 hod.)
Elektromagnetická indukce, Lenzovo pravidlo; vztah Lorentzovy síly a elektromagnetické indukce. Vzájemná a vlastní indukčnost, vlastní indukčnost dlouhého solenoidu.
8. Kvazistacionární obvody (6 hod.)
Přechodové jevy v RL, RC a v sériovém i paralelním RLC obvodu; přetlumený, kriticky tlumený a slabě tlumený obvod, vlastní kmity. Vynucené kmity v sériovém RLC obvodu; rezonance, činitel jakosti. Vektorové diagramy v komplexní rovině, vyjádření při užívání komplexní symboliky. Výkon střídavého proudu, účiník.
9. Maxwellovy rovnice (2 hod.)
Maxwellovy rovnice v integrálním tvaru; podmínky na rozhraní dvou prostředí.
10. Elektromagnetické vlny (3 hod.)
Vlnová rovnice v prostředí bez volných nábojů. Netlumená homogenní rovinná monochromatická vlna; kulová vlna; vztah mezi E,B a směrem šíření. Polarizace záření. Hustota energie, tok energie, Poyntingův vektor, intenzita záření.
11. Interference záření (2 hod.)
Interference dvou monochromatických vln; Youngův pokus, Michelsonův interferometr. Interference na tenké vrstvě, Fabryův - Perotův interferometr; interferenční proužky.
12. Difrakce záření (3 hod.)
Difrakce záření. Fresnelův ohyb, Fresnelovy zóny. Fraunhoferův ohyb. Důsledky pro zobrazovací systémy. Fraunhoferova difrakce na štěrbině, interferenční jev na soustavě štěrbin. Optická mřížka na průchod a na odraz; schéma monochromátoru. Teoretická mez spektrální rozlišovací schopnosti.
13. Geometrická optika (3 hod.)
Rovinná vlna na rozhraní dvou izotropních dielektrik; odraz a lom vln. Fresnelovy vztahy, grafické znázornění výsledků; Brewsterův úhel; polarizace odrazem; totální reflexe.
