Elektřina a magnetismus - NFUF103

• Anglický název: Electricity and Magnetism
• Zajišťuje: Katedra didaktiky fyziky (32-KDF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2022
• Semestr: letní
• E-Kredity: 8
• Rozsah, examinace: letní s.:4/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• Virtuální mobilita / počet míst: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc.; RNDr. Zdeňka Koupilová, Ph.D.
• Kategorizace předmětu: Fyzika > Učitelství fyziky
• Neslučitelnost : NUFY101
• Záměnnost : NUFY101
• Je záměnnost pro: NUFY101

Anotace

Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (19.01.2018)

Elektřina a magnetismus od Coulombova zákona k Maxwellovým rovnicím: Elektrostatika, stacionární elektrický proud, stacionární a kvazistacionární magnetické pole, přechodové jevy a střídavý proud, nestacionární elektromagnetické pole. Je kladen důraz na potřeby budoucích učitelů fyziky: průběžně je objasňován význam matematického aparátu a ilustrována souvislost formálního popisu a teoretických odvození s elementárnějšími úvahami a konkrétními pokusy využitelnými ve výuce na školách a s technickými aplikacemi. Při výuce jsou využívány metody vedoucí k lepšímu konceptuálnímu pochopením látky.

Podmínky zakončení předmětu

Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (14.05.2020)

Podmínkou připuštění ke zkoušce je získání zápočtu ze cvičení. Zápočet za cvičení je udělován za úspěšně napsané předem ohlášené testy a průběžné odevzdávání domácí práce.

Zkouška začíná písemnou částí sestávající se z řešení výpočtových úloh. Po jejím úspěšném vyřešení jsou v ústní části zkoušky zadány zpravidla dvě až tři otázky pokrývající významné části sylabu, jak byl prezentován na přednášce.

Literatura

Poslední úprava: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc. (03.12.2022)

• Prozatímní elektronické studijní materiály pro posluchače studijního programu Fyzika se zaměřením na vzdělávání dostupné na https://kdf.mff.cuni.cz/vyuka/Fyzika2elmag/

• Sedlák B., Štoll I: Elektřina a magnetismus, Academia Praha 1993 a Karolinum, 2012

• Halliday D., Resnick R., Walker J.: Fyzika. český překlad VUTIM Brno a Prometheus Praha, 2001

• Feynman R.P. a kol.: Feynmanovy přednášky z fyziky 2. český překlad Fragment, Praha, 2001

• Kolektiv autorů. Příklady z elektřiny a magnetismu, skripta SPN, Praha 1982

• Sedlák B. Příklady z elektřiny a magnetismu, SPN, Praha 1990

• Elektronická sbírka úloh se strukturovaným řešením: http://www.fyzikalniulohy.cz/

Doplňková literatura:

• Purcell E.M., Morin D.J.: Electricity and Magnetism. 3rd ed. Cambridge Univ. Press, 2013

• Chabay R.W., Sherwood B.A.: Matter & Interactions II. Electric & Magnetic Interactions. John Willey & Sons, 2007

• Bartuška K.: Sbírka řešených úloh z fyziky III., Prometheus, Praha, 2002

• Žák V.:Fyzikální úlohy pro střední školy. Prometheus, Praha, 2011

• Lim Y. K. Problems and solutions on electromagnetism. Singapore : World Scientific, c1993

Metody výuky

Poslední úprava: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc. (03.12.2022)

Přednáška (s demonstračními pokusy včetně pokusů s jednoduchými pomůckami využitelnými ve výuce na školách).

Cvičení (využívající aktivizující metody výuky).

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc. (02.05.2020)

Požadavky ke zkoušce jsou dány sylabem předmětu.

Sylabus

Poslední úprava: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc. (03.12.2022)

• Elektrostatika

Elektrický náboj, Coulombův zákon, intenzita elektrického pole, princip superpozice. Potenciál, napětí jako rozdíl potenciálů, souvislost intenzity a potenciálu. Matematický aparát potřebný pro popis elektrostatického pole (operátory grad, div, rot, Laplaceův operátor, Gaussova a Stokesova věta). Siločáry a ekvipotenciální plochy. Gaussova věta elektrostatiky a příklady jejího využití v konkrétních úlohách. Laplaceova a Laplaceova-Poissonova rovnice. Elektrický dipól a jeho pole, dipól ve vnějším poli (síla, moment síly, energie). Elektrické pole vodičů, kapacita, kondenzátor, energie kondenzátoru, energie elektrostatického pole. Metoda obrazů (pole náboje u vodivé roviny). Elektrostatické pole v dielektriku, polarizace, elektrická indukce, permitivita látek.

• Stacionární elektrické pole, elektrický proud

Elektrický proud jako tok náboje, hustota proudu. Zákon zachování náboje a rovnice kontinuity v integrálním a diferenciálním tvaru. Stacionární elektrický obvod, Kirchhoffovy zákony, elektromotorické napětí. Ohmův zákon (i v diferenciálním tvaru), měrný odpor a vodivost, vodivost různých materiálů. Jouleův ohřev, výkon elektrického proudu. Spojování rezistorů, dělič napětí, reostat, potenciometr, Wheatstoneův můstek, metody řešení elektrických obvodů. Nelineární prvky (žárovka, LED), voltampérová charakteristika. Typické miskoncepce spojené s chováním elektrického proudu v elektrických obvodech.

• Stacionární a kvazistacionární magnetické pole

Magnetická indukce, magnetické indukční čáry, magnetický indukční tok, neexistence magnetických monopólů. Pole permanentních magnetů: Působení vnějšího pole na magnet, síly mezi magnety, magnetická intenzita. Paramagnetika, diamagnetika, feromagnetika. Permeabilita, hysterezní smyčka. Energie magnetického pole (a síla mezi magnety v magnetickém obvodu), Hopkinsonův zákon.

Magnetické pole stacionárního proudu: Oerstedův pokus, Ampérův zákon celkového proudu (a jeho aplikace pro výpočet magnetické intenzity v jednoduchých případech). Působení magnetického pole na vodič s proudem, Lorentzova síla, definice ampéru. Vektorový potenciál, Biotův-Savartův zákon; příklady využití pro výpočet magnetického pole. Faradayův zákon elektromagnetické indukce, Lenzovo pravidlo, vířivé proudy. Vlastní a vzájemná indukčnost, cívka, indukčnost solenoidu a toroidu. Přístroje využívající magnetické pole stacionárního proudu a působení magnetického pole na vodič s proudem.

• Střídavé obvody

Přechodové jevy: nabíjení a vybíjení kondenzátoru, indukce napětí v cívce při zapnutí a vypnutí proudu, aplikace. Energie cívky s proudem. LC a sériový RLC oscilační obvod, tlumené kmity, rezonance. Střídavý proud: vznik střídavého proudu, komplexní vyjádření střídavého proudu a napětí, fázory. Chování rezistoru, kondenzátoru a cívky v obvodu střídavého proudu, impedance, fázové posuvy. RC obvod, RL obvod, sériový RLC rezonanční obvod, příklady využití (dolnofrekvenční a hornofrekvenční propust, laděný obvod), řešení střídavých obvodů. Výkon střídavého proudu, účiník. Třífázový proud. Transformátor a jeho vlastnosti.

• Nestacionární elektromagnetické pole

Maxwellovy rovnice a jejich význam. Hustota energie a hustota toku energie elektromagnetického pole, Poyntingův vektor. Řešení Maxwellových rovnic ve vakuu ve tvaru rovinných elektromagnetických vln: odvození vlnové rovnice, řešení ve tvaru postupné rovinné vlny, rychlost šíření, vlnění je příčné, hustota energie a hustota toku energie v elektromagnetické vlně.

• Vedení elektrického proudu v látkách, příklady technických aplikací

Vedení proudu v kapalinách a plynech. Faradayovy zákony elektrolýzy. Elektronky a polovodičové prvky (dioda, tranzistor řízený polem).

Studijní opory

Poslední úprava: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc. (03.12.2022)

Prozatímní elektronické studijní materiály pro posluchače studijního programu Fyzika se zaměřením na vzdělávání dostupné na: https://kdf.mff.cuni.cz/vyuka/Fyzika2elmag/

Elektronická sbírka úloh se strukturovaným řešením: www.fyzikalniulohy.cz