Elektromagnetism och vågrörelselära IF1613

Lärare: Gunnar Björk – Kursansvarig, examinator Christian Kothe – KurskontaktpersonMarcin Zwillo – labbassistentSebastien Sauge – övningsassistent

Kursens syften: Lära ut elektromagnetism och vågrörelseläraTräna problemformulering och problemlösningTräna studieteknik

Kurshemsida: Hemsidan är alltid aktuellastFöreläsnings- och övningsschema + hemtal + gamla tentor med svar + FAQ +kursnämndsprotokoll + kontaktadresser

http://www.ict.kth.se/courses/IF1613/

2B1350 → IF1613 år 2008. Vad är behöver 2B1350-studenter veta?

Den som har kursen 2B1350 kvar behöver ingen ny bok, kursinnehållet i IF1613 täcks av gamla kursboken.

I IF1613 ingår 2 x 4 h laborationer → 6 hp blir 7,5 hp. Labbpek finns för nedladdning från kurshemsidan. Den som ”går” 2B1350 gör inga labbar.

6-gradig betygsskala, A, B, C, D, E, F för den som går IF1613

Elektromagnetism och vågrörelselära

Kursnämnd — fundera till nästa föreläsning

Vi är här för er skull, inte omvänt

Konstruktiv kritik på kursen välkomnas

Vi är öppna för synpunkter om kursupplägg et.c. — men vi och tidigare kursnämnder har också en egen uppfattning

Upplägg:

• Föreläsningarna går igenom ny teori.

• Oftast tillämpas denna teori på något exempel, dels för att visa tillämpligheten, dels för att visa typiska tillämpningsområden, dels för att visa lösningstekniker.

• På övningarna räknas uppgifter från boken och från tidigare tentor

• Övningarna syftar dels till att visa tillämpningen av teorin, dels att öva matematisk/fysikalisk problemlösning.

• Labbarna syftar till att använda teori samt problemlösningsträningen, samt att göra studenterna förtrogna med några mätinstrument samt behandling av mätdata och rapportskrivning.

• För självstudier (c:a 15 h/vecka!) finns i boken svar till alla övningar och på kurshemsidan lösningsförslag till alla extentor, samt en lista som sorterar gamla tentatal efter ”ämnesområde”.

• En studentledd övning kommer hållas under kursen. Deltagande i denna är frivilligt. Denna adderar max 5 p. på ord. tenta + årets omtentor, men ger inte någon studiepoäng.

• En övningsgrupp

Kursnämnd

• Två till tre (representativa) teknologer, kursansvarig + övningslärare

• Samla in och vidarebefordra åsikter och förslag

• Möts två gånger under kursen eller oftare om behov föreligger

• Utformar kursenkät (underlag på Daisy) och sammanfattar den

• Förslag på representanter/frivilliga?

Elektromagnetism och vågrörelselära

Ellära Mekanik Vektoranalys Matematik Diff. och int.

Elfält och våg Transformmetoder

Fiberoptisk kommunikation

MikrovågsteknikFotonik Radioelektronik

Komplex analys

Hur kopplar elfält och våg till andra ämnesområden?

Denna föreläsning:

Rapsodisk historieutveckling av elektromagnetismen

Vektorer

Koordinatsystem

Redan de gamla Egyptierna ...

Solen och stjärnorna har funnits i eviga tider och tilldragit sig spekulationer

Glas är känt sedan 3000 f.kr, speglar i koppar och brons sedan åtminstone 1900 f.kr.

Glasblåsning började utvecklas c.a 250 f.kr. vilket gav möjligheter till rundade glasytor, d.v.s. linser (som romarna använde som ”brännglas”).

Både grekerna och romarna studerade refraktion, t.ex. i linser bestående av vattenfyllda glaskupor.

Ibn Sahl (940-1000), matematiker i Baghdad tros vara den första att härleda en formel för refraktion.

Refraktion

Hans Lippershay (1587-1619), glasögonmakare, och Galileo Galilei (1564-1642) utvecklade de första teleskopen. ”Glasögon” hade redan funnits tidigare. Ungefär samtidigt utvecklades det första mikroskopet.

Magnetism

William Gilbert (1540-1603), MD från Cambridge, anses vara ”den moderna elektricitetslärans fader”.Han klargjorde skillnaden mellan elektrostatiska och magnetostatiska krafter och skrev ett större arbete ”De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure” som utgavs år 1600.

Optik, refraktion

Sir Isaac Newton FRS (1643–1727) professor, vetenskapsman, parlamentsledamot, chef för myntverket. Newton studerade ljusets färg, refraktion och diffraktion och skrev den första “moderna” avhandlingen om ljus: “Opticks”, utgiven 1704. Newton argumenterade för att ljuset bestod av korpuskler − partiklar.

Optik, diffraktion

Christiaan Huygens (1629–1695), matematiker, astronom, och fysiker. Föreslog att ljus kunde beskrivas med vågor och lyckades matematiskt visa hur olika interferensfenomen därvid kunde uppstå. Newtons korpuskelteori blev dock snart den dominerande teorin ända till dess Faraday och Maxwell utvecklade den moderna teorin för elektromagnetism.

Optik, refraktion

Willebrord Snellius (1580–1626), professor i matematik, känd för utvecklandet av metoder för att fastställa jordens diameter, samt för (åter)upptäkten av Snells lag som fastställer sambandet mellan infallsvinkeln och refraktionsvinkeln i t.ex. glas.

Elektrostatik

Joseph Priestly (1733-1804), teolog, filosof, lärare, och pedagog. Upptäckaren av syre (även Scheele och Lavoisier anses ha upptäckt syret). Upptäckte Coulombs lag och fann därmed att den elektrostatiska kraften påminner om gravitationen (avtar som r-2).

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), lantmätare, militär, vetenskapsman, bekräftade Priestleys upptäckt m.h.a. en egenutvecklad torsionsvåg med vilken han också studerade friktion och viskositet.

Elektrodynamik

Hans Christian Ørsted ( 1777-1851), fysiker och kemist, den första att framställa aluminium, fastställde experimentellt sambandet mellan electricitet och magnetism. För första gången blev det fastslaget att de båda fenomenen hör samman (till skillnad från gravitationen).

Elektricitet

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta ( 1745-1827), greve och vetenskapsman, uppfann kondensatorn samt den galvaniska cellen (prototypen till batteriet).

André-Marie Ampère (1775-1836), professor formulerade Örsteds försök i matematiska termer och anses vara elektrodynamikens fader.

Georg Simon Ohm (1789-1854), lärare, sedemera avsatt och medellös, fastställde sambandet mellan spänning och ström genom att använda Voltas galvaniska cell.

Modern elektromagnetism

James Clerk Maxwell (1831–1879), matematiker och fysiker, Faradays elev, lyckades sammanföra de kända lagarna för elektrostatik och elektrodynamik till ett set kompkta och kraftfulla ekvationer. Gjorde också banbrytande insatser inom statistisk mekanik och termodynamik.

Michael Faraday, FRS (1791–1867), självlärd kemist och fysiker, upptäckte bensen, studerade elektromagnetisk induktion, diamagnetism och elektrolys. Utvecklade de första elektriska motorerna. Av många ansedd som världshistoriens bästa experimentalist.

Supraledning

Heike Kamerlingh Onnes (1853–1926), Nobelpristagare, professor, först i världen att kyla helium till flytande fas, observerade för första gången supraledning (av kvicksilver).

Elektronik

William B. Shockley (1910–1989)

John Bardeen (1908–1991)

Walter H. Brattain (1902 –1987)

Nobelpristagare 1956, forskare vid AT&T Bell Laboratories, uppfinnarna av transistorn, efterföljaren till vacuumrörtuberna (såsom trioden) och en av de viktigaste anledningarna till att IT-linjen överhuvudtaget existerar.

Elektroniska kvanteffekter

Klaus von Klitzing, (1943-), Nobelpristagare i fysik 1985, professor, upptäckaren av den .kvantiserade (heltals)-Halleffekten som ger möjlighet att bestämma resistans med tidigare oöverträffad noggrannhet.

RK = h / e2 = 25812.807449(86) Ω

och utvecklingen fortsätter ...

Albert Fert (1938- )

Nobelpristagare i fysik 2007, professorer, upptäckare av den gigantiska magnetoresistiva effekten vilket till del har lagt grunden till den exponentiella utvecklingen , både pris- och prestandamässigt, för magnetiska lagringsmedia.

Peter Grünberg (1939- )

... och fortsätter ...

“för banbrytande insatser angående ljustransmission i fibrer för optisk kommunikation”

Nobelpristagare 2009

Charles Kao, 1933 -

Willard Boyle,1924 -

George E. Smith,1930-

“för uppfinningen av en avbildande halvledarkrets – CCD-detektorn”

... och fortsätter ... ?

NN, IT-student från KTH, Nobelpristagare i fysik 2025, ”för upptäckten av ….”

Vektorräkning

En vektor har både en storlek och en riktning.

Fixt Cartesiskt koordinatsystem:

x

y

ex

ey^

^

V_

1,2ˆ1ˆ2 yx eeVW_

0,31,11,2 ,1,1ˆ1ˆ1 WVeeW yx

512 22 V

Polärt koordinatsystem:Talen q och r bestämmer vektorn.

V_y

x

er^

e^

r

sin ,cos ryrx

Nabla, grad, och div

Nabla är en användbar vektoroperator:

zyx

,,

Gradienten av ett skalärt fält ger förändringen till storlek och riktning

zyx

zyx ,, grad ,,,

Divergensen av ett vektorfält visar om flöde skapas eller förintas

zyxzyx

zyx

div ,,,

Differentiella ytelementet på ytan av en sfär

r

d

rd

Jorden från ekvatorsplanet Jorden från norra jordaxeln

sinr

d

dr sin

Ytelementet

ddr sin2

Volymselementet för en sfär fås genom att multiplicera ytelementet med dr