Electricity and magnetism - NOFY018

• Title: Elektřina a magnetismus
• Guaranteed by: Laboratory of General Physics Education (32-KVOF)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2022
• Semester: summer
• E-Credits: 8
• Hours per week, examination: summer s.:4/2, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Teaching methods: full-time
• Additional information: http://physics.mff.cuni.cz/kchfo/ooe/fyzika2
• Guarantor: doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc.; prof. RNDr. Petr Malý, DrSc.
• Classification: Physics > General Subjects
• Is pre-requisite for: NOOE021

Annotation

English

Last update: T_KVOF (15.05.2001)

Electrostatics. Electric current and stationary electric field. Methods for solution of linear stationary circuits. Stationary magnetic field. Kvasistationary electric and magnetic field. Methods for solution of circuits with alternating current. Nonstationary electromagnetic field. Dielectric and magnetic properties of matter. Electric transport phenomena. The course is for students of Physics, 1st year.

Czech

Last update: T_KVOF (15.05.2001)

Elektrostatika. Elektrický proud a stacionární elektrické pole. Metody řešení lineárních stacionárních obvodů. Stacionární magnetické pole. Kvazistacionární elektrické a magnetické pole. Metody řešení střídavých obvodů. Nestacionární elektromagnetické pole. Dielektrické a magnetické vlastnosti látek. Elektrické transportní jevy. Přednáška určena pro posluchače 1.roč., F.

Aim of the course

English

Last update: T_KVOF (28.03.2008)

Electrostatics. Electric current and stationary electric field. Methods for solution of linear stationary circuits. Stationary magnetic field. Kvasistationary electric and magnetic field. Methods for solution of circuits with alternating current. Nonstationary electromagnetic field. Dielectric and magnetic properties of matter. Electric transport phenomena.

Czech

Last update: T_KVOF (28.03.2008)

Elektrostatika. Elektrický proud a stacionární elektrické pole. Metody

řešení lineárních stacionárních obvodů. Stacionární magnetické pole.

Kvazistacionární elektrické a magnetické pole. Metody řešení střídavých

obvodů. Nestacionární elektromagnetické pole. Dielektrické a magnetické

vlastnosti látek. Elektrické transportní jevy.

Course completion requirements

Last update: doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc. (08.02.2023)

Podmínkou získání zápočtu je aktivní účast na cvičení.

Literature

Last update: prof. RNDr. Petr Malý, DrSc. (14.02.2022)

Literatura

/ 1/ B. Sedlák, I. Štoll: Elektřina a magnetismus, Academia , Vydavatelství Karolinum Praha 1993

/ 2/ B. Sedlák, R. Bakule: Elektřina a magnetismus (skriptum), SPN Praha 1986.

/ 3/ R. Bakule a kol.: Příklady z elektřiny a magnetismu (skriptum), SPN Praha 1991.

/ 4/ J. Brož a kol.: Základy fyzikálních měření I. SPN Praha 1983.

/ 5/ I. Štoll, B. Sedlák: Přehled vektorové analýzy ( Doplňkový text OZVF, sv.3.) MFF UK Praha 1991.

/ 6/ D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Fundamentals of physics, Wiley New York, 2001.

(Český překlad vyd. Vutium, Prometheus, Brno, Praha 2000)

/ 7/ P. Čičmanec: Elektřina a magnetismus, Alfa, Bratislava 1979.

/ 8/ V. Hajko, J. Daniel-Szabó: Všeobecná fyzika, UPJŠ Košice 1974.

/ 9/ V. Hajko a kol.: Fyzika v experimentoch, Veda, Bratislava 1988.

/10/ J. Kvasnica: Teorie elektromagnetického pole, Academia Praha 1985.

/11/ A. Stratton: Teorie elektromagnetického pole, SNTL Praha 1961.

/12/ R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on Physics, vol. 1,2, Addison- Wesley, Reading 1964 (český překlad

Fragment Havlíčkův Brod 2000).

/13/ K. Rektorys: Přehled užité matematiky, SNTL Praha 1963.

/14/ A. Angot: Užitá matematika pro elektrotechnické inženýry, SNTL Praha 1960.

/15/ Ch. Kittel: Úvod do fyziky pevných látek, Academia Praha 1985.

Teaching methods

Last update: T_KVOF (28.03.2008)

přednáška + cvičení

Requirements to the exam

Last update: doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc. (08.02.2023)

Zkouška sestává z písemné a ústní části. Písemná část předchází části ústní, její nesplnění znamená, že celá zkouška je hodnocena známkou nevyhověl(a) a ústní částí se již nepokračuje. Známka ze zkoušky se stanoví na základě bodového hodnocení písemné i ústní části.

Získání zápočtu je nutnou podmínkou účasti u zkoušky.

V písemné části zkoušky student prokáže schopnost samostatně řešit příklady, které korespondují se sylabem přednášky a s látkou probíranou na cvičení. Požadavky u ústní části zkoušky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Syllabus

English

Last update: doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc. (16.05.2005)

1. Introduction

2. Introduction to vector analysis

• Scalar and vector quantities, scalar and vector fields

• Basic differential operators (gradient, divergence, curl)

• Integral theorems (Gauss and Stokes)

• Potential and solenoidal fields.

3. Electrostatics.

Basic concepts and laws of electrostatic field in vacuum:

• Electric charge and its properties.Point charge, charge density.

• Coulomb's law.

• Strength and potential of electrostatic field.

• Gauss's law, Poisson's and Laplace's equations.

• Typical examples.

Electrostatic field of conductors:

• Fundamental experiments, electrostatic induction.

• Capacity, capacitor.

• Applications.

Electrostatic field in dielectrics:

• Polarization of dielectric, bound charges.

• Gauss's law in dielectrics, vector of electric displacement.

• Material relations, electric susceptibility and permittivity.

Energy and forces in electrostatic field:

• Interaction energy of configuration of point charges.

• Energy of configuration of charged conductors.

• Energy density of electrostatic field.

• Forces on electric dipole.

4. Electric current and stationary electric field.

• Stationary electric field.

• Ohm's law, electric resistance and conductivity.

• Stationary electric circuit. Electromotive force, Kirchhoff's rules.

• Energy and power in stationary circuits, Joule's law.

5. Stationary magnetic field.

• Vector of magnetic field (induction) and its properties, Ampére's law of magnetic field.

• Vector potential, Biot-Savart's law.

• Magnetic field in matter. Magnetic polarization (magnetization).

• Ampére's law of magnetic field in matter, magnetising field.

• Material relations, magnetic susceptibility and permeability. Magnetic circuit, magnetostatic field.

• Applications.

6. Quasistationary electric and magnetic fields.

• Faraday's law of electromagnetic induction. Mutual inductance, self-inductance.

• Generic properties of quasistationary field. Quasistationary circuit, Kirchhoff's rules.

• Alternating current generation, alternating currents and circuits.

• Energy and forces in magnetic field. Energy density of magnetic field.

7. Techniques of circuits solution.

• Linear stationary circuits, classification of AC circuits, stationary and transient state.

• Direct application of Kirchhof's rules, superposition theorem, techniques of loop-currents and node-voltages, theorem of Thévénin.

• Complex representation.

• Non-sinusoidal circuits, Fourier analysis.

• Applications.

8. Non-stationary electromagnetic field.

• Formulation of Maxwell's equations.

• Energy and momentum of electromagnetic field.

9. Electromagnetic waves.

• Plane and spherical electromagnetic waves, their properties.

• Complex representation of monochromatic waves.

• Dipole radiation.

• Spectral regions of electromagnetic waves, light.

10. Dielectric and magnetic properties of matter.

• Microscopic electric fields in matter. Susceptibility and permittivity of non-polar and polar substances. Clausius - Mosotti's equation.

• Diamagnetism of atoms and molecules.

• Paramagnetism of atoms. Paramagnetism of metals.

• Types of magnetic alignment, physical principles. Spontaneous magnetisation, permeability of ferromagnetic materials. Molecular field. Curie-Weiss' law.

11. Electric transport phenomena.

• Validity of Ohm's law, mobility of charge carriers.

• Conductivity of metals, Drude's theory, Franz-Wiedemann's law. Conductivity of semiconductors, p-n transition, transistor.

• Hall's effect. Thermoelectric phenomena.

• Electron emission. Saturated and unsaturated emission current, Langmuir's law.

• Specific and molar conductivity of liquids. Electrolysis, Faraday's laws. Galvanic cells.

• Conductivity of gases, discharge in gas, Paschen's law. Franck-Hertz's experiment.

Czech

Last update: doc. RNDr. Helena Valentová, Ph.D. (04.01.2018)

1. Úvod.

2. Přehled vektorové analýzy.

• Skalární a vektorové veličiny, skalární a vektorová pole.

• Základní diferenciální operace (gradient, divergence, rotace).

• Integrální věty ( Gaussova a Stokesova věta).

• Klasifikace polí (pole potenciální a solenoidální).

3. Elektrostatika.

Elektrostatické pole ve vakuu:

• Elektrický náboj a jeho vlastnosti. Bodový náboj, hustota náboje.

• Coulombův zákon.

• Intenzita a potenciál elektrostatického pole.

• Gaussův zákon, Poissonova rovnice, Laplaceova rovnice.

• Elektrický dipól (energie, silové působení).

Elektrostatické pole v přítomnosti vodičů:

• Základní experimenty, jev elektrostatické indukce.

• Základní úloha elektrostatiky.

• Kapacita, kondenzátor.

Práce a energie v elektrostatickém poli:

• Interakční energie.

• Hustota energie elektrostatického pole.

Elektrostatické pole v dielektriku:

• Polarizace dielektrika, vázané náboje.

• Gaussův zákon pro elektrostatické pole v dielektriku, vektor elektrické indukce.

• Materiálové vztahy, elektrická susceptibilita a permitivita.

• Okrajové podmínky pro elektrostatické pole.

• Síly působící na dielektrika, energie elektrostatického pole v dielektrikách.

• Clausiusův-Mossotiho vztah.

4. Elektrický proud a stacionární elektrické pole.

• Elektrický proud, hustota proudu, rovnice kontinuity.

• Stacionární elektrické pole.

• Ohmův zákon, elektrický odpor a elektrická vodivost, Jouleův zákon.

• Stacionární elektrický obvod. Elektromotorické napětí, Kirchhoffova pravidla.

• Metody řešení lineárních stacionárních obvodů.

• Vodivost kovů. Charakteristiky vodivosti kovů, Drudeho teorie.

5. Stacionární magnetické pole.

Magnetické pole ve vakuu:

• Vlastnosti magnetického pole, vektor magnetické indukce, Ampérův zákon pro magnetické pole ve vakuu.

• Vektový potenciál, Biotův-Savartův vzorec.

• Magnetické pole proudové smyčky.

Magnetické pole v látkovém prostředí.

• Vektor magnetizace.

• Materiálové vztahy, magnetická susceptibilita a permeabilita.

• Diamagnetické, paramagnetické a ferromagnetické látky.

• Ampérův zákon v látkovém prostředí, vektor intenzity magnetického pole.

• Okrajové podmínky pro magnetické pole.

• Magnetické pole, magnetický obvod.

6. Zákon elektromagnetické indukce a kvazistacionární elektrické a magnetické pole.

• Faradayův zákon elektromagnetické indukce. Vlastní a vzájemná indukčnost vodičů.

• Obecné vlastnosti kvazistacionárního pole. Kvazistacionární obvod, Kirchhoffova pravidla.

• Energie a silové účinky magnetického pole, hustota energie.

• Generace střídavého napětí.

• Transformátor, třífázový proud.

• Střídavé obvody, Kirchhoffova pravidla v komplexní symbolice, impedance.

• Rezonance.

7. Nestacionární elektromagnetické pole.

• Formulace Maxwellových rovnic, posuvný proud.

• Maxwellovy rovnice ve vakuu a látkovém prostředí.

• Okrajové podmínky pro elektromagnetické pole.

• Elektromagnetické potenciály, kalibrační podmínka.

• Energie a hybnost elektromagnetického pole, Poytingova věta.

8. Elektromagnetické vlny.

• Vlnová rovnice. Rovinná elektromagnetická vlna, polarizace.

• Šíření vln ve vakuu a látkovém prostředí.

• Spektrální obory elektromagnetických vln, světlo.

9. Elektrické transportní jevy.

• Pohyb elektrického náboje v elektrickém a magnetickém poli.

• Vodiče, nevodiče, polovodiče (model elektronové pásové struktury).

• Emise elektronů, výstupní práce, vakuová dioda.

• Kontaktní potenciál, jevy na rozhraní dvou vodičů.

• Elektrický proud v nevlastních polovodičích typu P a N. Polovodičová dioda - PN přechod.

• Vedení proudu v plynném a kapalném prostředí, ionizace, disociace, elektrodové potenciály.