Principles of Physics II – Electromagnetism and Optics - NFPL064

• Anglický název: Principles of Physics II – Electromagnetism and Optics
• Zajišťuje: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2023
• Semestr: letní
• E-Kredity: 5
• Rozsah, examinace: letní s.:2/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: angličtina
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: prof. RNDr. Jana Kalbáčová Vejpravová, Ph.D.; doc. RNDr. Jan Prokleška, Ph.D.
• Vyučující: prof. RNDr. Jana Kalbáčová Vejpravová, Ph.D.; Mgr. Václava Kopecká; doc. RNDr. Jan Prokleška, Ph.D.

Anotace

The course Basic Principles of Physics II is the second course in the physics series of the program Science. It gives a general introduction to the concepts of electromagnetism, optics and light-matter interaction, essential for understanding complex phenomena beyond the territory of physics. The course set the knowledge base for the laboratory course and follow-up classes on quantum mechanics, electrodynamics and special relativity. Also, it provides a guide to application of the principles and laws of electromagnetism and optics in chemistry and biology.

Poslední úprava: Mikšová Kateřina, Mgr. (02.02.2022)

Podmínky zakončení předmětu

The condition for completing the course is the successful passing of the exam, which is preceded by getting credit for the exercises.

Poslední úprava: Houfek Karel, doc. RNDr., Ph.D. (14.05.2023)

Literatura

1. University Physics Volume 2 and Volume 3, Jeff Sanny, Samuel Ling, OpenStax, 2016

2. Electricity and Magnetism (3rd edition), E.M. Purcell and D.J. Morin, Cambridge University Press, 2013

3. Fundamentals of Physics II: Electromagnetism, Optics, and Quantum Mechanics (The Open Yale Courses Series Book 2) 1st Edition, R. Shankar

4. The Feynman Lectures on Physics, Vol. II: The New Millennium Edition: Mainly Electromagnetism and Matter (50th New Millennium Edition), Richard P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands

5. Electromagnetism, J. C. Slater, Dover Books on Physics, 2011

6. Solved Problems in Classical Electromagnetism, J. Franklin, Dover Books on Physics, 2018

7. Optics. E. Hecht, MA: Addison-Wesley, 2001

8. Introduction to Fourier Optics, J.W. Goodman, Englewood, CO: Roberts & Co., 2004

9. Engineering Optics, K. Iizuka, Springer 2019

10. Introduction to Modern Optics, G.R. Fowles, Dover Books on Physics, 1990

11. Modern Classical Physics: Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics, K.S. Thorne, R.D. Blandford, Princetown University Press, 2017

12. Fundamentals of Physics, Halliday, Resnick and Walker, 10 edition, Wiley, 2013

13. Lecture notes

14. Set of problems (with solutions) for exercises

15. Visualizations of key experiments

Poslední úprava: Prokleška Jan, doc. RNDr., Ph.D. (26.02.2024)

Požadavky ke zkoušce

Final mark is based on the oral examination. Oral examination takes place during the examination period and students must first obtain the credit for exercises. Credit for exercises is based on the presence on exercises, active participation and successful completion of the test.

Poslední úprava: Prokleška Jan, doc. RNDr., Ph.D. (19.02.2024)

Sylabus

čeština

Sylabus uveden v anglické verzi.

Výstupy z učení

Po absolvování tohoto předmětu bude student schopen:

Popsat a vysvětlit základní zákony popisující elektrická, magnetická a elektromagnetická pole ve vakuu i v látkách, včetně jejich fyzikálního významu a omezení.

Identifikovat a rozlišovat elektrostatický, magnetostatický, kvazistacionární a vlnový režim a uvést předpoklady, za nichž je každý z těchto popisů platný.

Aplikovat Coulombův zákon, Gaussův zákon, Ampèrův zákon, Faradayův zákon a Kirchhoffovy zákony k výpočtu polí, potenciálů, proudů a energií ve standardních fyzikálních systémech.

Řešit úlohy stejnosměrných i střídavých elektrických obvodů, včetně odporu, kapacity, indukčnosti, ztrátového výkonu a rezonance, s využitím vhodných matematických metod.

Vysvětlit a používat konstitutivní vztahy k analýze elektrických a magnetických polí v dielektrických, magnetických, kovových a polovodičových materiálech.

Porovnat mikroskopický a makroskopický popis elektrického transportu a polarizace, včetně role nosičů náboje, jejich pohyblivosti a materiálových parametrů.

Interpretovat klasické elektromagnetické a optické jevy (např. elektromagnetickou indukci, Hallův jev, fotoelektrický jev, difrakci, polarizaci) na základě příslušných fyzikálních principů.

Vztáhnout teoretické modely k praktickým aplikacím, jako jsou kondenzátory, transformátory, optické přístroje, lasery a polovodičová zařízení.

Analyzovat vznik obrazu a rozlišovací schopnost pomocí geometrické a vlnové optiky, včetně paprskového trasování, interference, difrakce a polarizačních metod.

Používat maticové a vektorové formalismy (např. paprskové matice, polarizační vektory) k predikci chování optických systémů.

Posoudit platnost a omezení klasických elektromagnetických a optických modelů při jejich aplikaci na moderní experimenty a technologie.

Prezentovat jasná a logicky strukturovaná řešení a vysvětlení s využitím správného fyzikálního uvažování, schémat, diagramů a matematické notace.

Poslední úprava: Kalbáčová Vejpravová Jana, prof. RNDr., Ph.D. (12.01.2026)

angličtina

1. Basic concepts and laws of the electrostatic field in vacuum: Point charge, charge density. Coulomb's law. Electrostatic field intensity, potential, energy, and density. Gauss's law. Electrostatic induction. Conductive and non-conductive body. Capacity. The interaction energy of point charges. Forces acting on a dipole.

2. Electrical current: definition, current density, continuity equation. Stationary electric field. Ohm's law, electrical resistance, and electrical conductivity. Stationary electrical circuit. Electromotive voltage, Kirchhoff's rules. Joule's law.

3. Basic concepts and laws of the magnetic field in vacuum: Magnetic induction, Ampere's law. Vector potential, Biot-Savart formula. Magnetic circuit, magnetostatic field.

4. Quasi-stationary electric and magnetic fields: Law of electromagnetic induction. Self and mutual inductance of conductors. General properties of a quasi-stationary field. Magnetic field energy density. Quasi-stationary circuit, Kirchhoff's rules. AC harmonic voltage generation, AC circuits.

5.The electrostatic and magnetic field in media: Polarization of dielectrics, bound charges. Gauss's law for electrostatic fields in dielectrics, vector of electric induction. Magnetic polarization (magnetization). Ampere's law in the materials, magnetic field intensity. Material's relations, electrical/magnetic susceptibility, permittivity, and permeability.

6. Dielectric and magnetic properties of materials: Clausius-Mossotti equation. Ferroic order, Curie and Curie-Weiss law. Important applications.

7. Electrical transport in materials: metals, semiconductors, insulators. Validity of Ohm's law, carriers' mobility. Drude's theory. P-n junction. Hall effect. Thermoelectric effect. Important applications.

8. Geometrical optics: specular and diffuse reflection, refraction (Snell’s law), total internal reflection, dispersion, mirrors (mirror equation), ray-tracing, lens design (thin lens equation, multiple lens system).

9. Wave optics: plane wave (polarization, energy density), interference, coherence, Fresnel and Fraunhofer diffraction, image formation, resolution, optical components, matrix method, Jones calculus, anisotropic optical medium, birefringence.

10. Black body radiation. Light-matter interaction: Lambert-Beer law, photoelectric effect, Compton effect, absorption, emission (natural and stimulated, lasers), applications.

Learning outcome

By the end of this course, students will be able to:

Describe and explain the fundamental laws governing electric, magnetic, and electromagnetic fields in vacuum and in matter, including their physical meaning and limitations.

Identify and distinguish between electrostatic, magnetostatic, quasi-stationary, and wave regimes, and outline the assumptions under which each description applies.

Apply Coulomb’s law, Gauss’s law, Ampère’s law, Faraday’s law, and Kirchhoff’s rules to calculate fields, potentials, currents, and energies in standard physical systems.

Solve problems involving DC and AC circuits, including resistance, capacitance, inductance, power dissipation, and resonance, using appropriate mathematical methods.

Explain and use constitutive relations to analyze electric and magnetic fields in dielectric, magnetic, metallic, and semiconducting materials.

Compare microscopic and macroscopic descriptions of electrical transport and polarization, including the role of charge carriers, mobility, and material parameters.

Interpret classical electromagnetic and optical phenomena (e.g., induction, Hall effect, photoelectric effect, diffraction, polarization) in terms of underlying physical principles.

Relate theoretical models to real-world applications such as capacitors, transformers, optical instruments, lasers, and semiconductor devices.

Analyze image formation and resolution using geometrical and wave optics, including ray tracing, interference, diffraction, and polarization methods.

Use matrix and vector formalisms (e.g., ray matrices, polarization vectors) to predict the behavior of optical systems.

Evaluate the validity and limitations of classical electromagnetic and optical models when applied to modern experiments and technologies.

Present clear, logically structured solutions and explanations using correct physical reasoning, diagrams, and mathematical notation.

Poslední úprava: Kalbáčová Vejpravová Jana, prof. RNDr., Ph.D. (12.01.2026)